JP2013512348A

JP2013512348A - Metal matrix composite material containing carbon nanotube leached fiber material and method for producing the same

Info

Publication number: JP2013512348A
Application number: JP2012542096A
Authority: JP
Inventors: シャー，ツァシャー，ケー．; マレキー，ハリー，シー．; ワイカウスキー，ジェイムズ，エー．
Original assignee: Applied Nanostructured Solutions LLC
Current assignee: Applied Nanostructured Solutions LLC
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2013-04-11
Also published as: AU2010333929A1; BR112012012525A2; CN102639321A; KR20120117998A; EP2507055A1; ZA201203257B; CA2779493A1; WO2011078934A1; US20120164429A1

Abstract

少なくとも１つの金属を有する金属マトリックスとカーボンナノチューブ浸出繊維材料とを含有する複合材料が本明細書に記載される。金属マトリックスには、アルミニウム、マグネシウム、銅、コバルト、ニッケル、ジルコニウム、銀、金、チタン、及びこれらの様々な混合物が含まれる。繊維材料には、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維、有機繊維、炭化ケイ素繊維、炭化ホウ素繊維、窒化ケイ素繊維、及び酸化アルミニウム繊維が含まれる。複合材料は、少なくともカーボンナノチューブ浸出繊維材料を、任意的には複数のカーボンナノチューブをオーバーコートする保護層を含むことができる。金属マトリックスは、金属マトリックスとカーボンナノチューブ浸出繊維材料との親和性を向上させる少なくとも１つの添加剤を含むことができる。繊維材料は、金属マトリックス中において、均一に、不均一に、又は勾配をもって分布する。不均一な分布は、金属マトリックスの異なる領域に、機械的、電気的又は熱的に異なる性質を付与するために用いられてもよい。
【選択図】図１Described herein are composite materials containing a metal matrix having at least one metal and a carbon nanotube leached fiber material. The metal matrix includes aluminum, magnesium, copper, cobalt, nickel, zirconium, silver, gold, titanium, and various mixtures thereof. The fiber material includes glass fiber, carbon fiber, metal fiber, ceramic fiber, organic fiber, silicon carbide fiber, boron carbide fiber, silicon nitride fiber, and aluminum oxide fiber. The composite material can include a protective layer that overcoats at least a carbon nanotube leached fiber material, and optionally a plurality of carbon nanotubes. The metal matrix can include at least one additive that improves the affinity between the metal matrix and the carbon nanotube-infused fiber material. The fiber material is distributed uniformly, non-uniformly or with a gradient in the metal matrix. The non-uniform distribution may be used to impart different mechanical, electrical or thermal properties to different regions of the metal matrix.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、概略的には複合材料に関し、より具体的に言えば、繊維強化金属マトリックス複合材料に関する。 The present invention relates generally to composite materials, and more specifically to fiber reinforced metal matrix composite materials.

（関連出願の相互参照）
本願は、２００９年１２月１日出願の米国仮特許出願第６１／２６５，７１７号に基づき、合衆国法典３５巻（35 U.S.C.）第１１９条に従って優先権を主張するものであり、参照により全内容が本明細書に組み込まれる。また、本願は、全て２００９年１１月２日に出願された米国特許出願第１２／６１１，０７３号、第１２／６１１，１０１号、及び第１２／６１１，１０３号に関連する。 (Cross-reference of related applications)
This application claims priority under 35 USC 35 USC 119 based on US Provisional Patent Application No. 61 / 265,717, filed Dec. 1, 2009, which is incorporated herein by reference in its entirety. Are incorporated herein. This application is also related to US patent application Ser. Nos. 12 / 611,073, 12 / 611,101, and 12 / 611,103, all filed on Nov. 2, 2009.

（連邦政府の資金提供による研究開発の記載）
適用なし。 (Federal funded research and development description)
Not applicable.

ナノ材料を含有する複合材料は、ナノスケールレベルで実現される有益な性質強化のために、ここ数年来広く研究されてきた。特に、カーボンナノチューブは、その強度及び電気伝導性が極めて高いことから、複合材料に使用するために広く研究されてきたナノ材料である。複合材料には、組み込まれたナノ材料を介して有益な性質が与えられるが、ナノ材料、特に、カーボンナノチューブを含有する複合材料の商業的に有望な製造は、ナノ材料の組み込みが複雑であるために、一般的には実現していない。複合材料のマトリックスに対してカーボンナノチューブを組み込む場合にしばしば直面する問題としては、例えば、カーボンナノチューブの担持による粘性の上昇、勾配（gradient）制御の問題、及び、カーボンナノチューブの不正確な配向性が含まれる。 Composite materials containing nanomaterials have been extensively studied over the last few years for beneficial property enhancement realized at the nanoscale level. In particular, carbon nanotubes are nanomaterials that have been extensively studied for use in composite materials because of their extremely high strength and electrical conductivity. Although composite materials are given beneficial properties through embedded nanomaterials, the commercially promising production of nanomaterials, particularly composite materials containing carbon nanotubes, is complicated to incorporate nanomaterials Therefore, it is not generally realized. Problems often encountered when incorporating carbon nanotubes into a composite matrix include, for example, increased viscosity due to carbon nanotube loading, gradient control problems, and inaccurate orientation of carbon nanotubes. included.

前述のことを考慮すると、カーボンナノチューブを含有する複合材料を容易に製造できれば、技術的に大いに有用である。本発明はこの必要性を満たし、関連する利点をも提供するものである。 In consideration of the above, if a composite material containing carbon nanotubes can be easily manufactured, it is technically useful. The present invention fulfills this need and provides related advantages.

本明細書には、様々な実施形態において、金属マトリックス及びカーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有する複合材料が記載される。 Described herein are composite materials that, in various embodiments, include a metal matrix and a carbon nanotube leached fiber material.

ある実施形態において、複合材料には、少なくとも１つの金属を含有する金属マトリックス、第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料、及び、第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料が含まれる。第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料、及び、第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料は、金属マトリックスのうち、夫々、第１領域及び第２領域に分布する。第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料におけるカーボンナノチューブの平均長さ、及び第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料におけるカーボンナノチューブの平均長さは、金属マトリックスの第１領域及び第２領域が、機械的、電気的又は熱的性質を異にするように選択される。 In certain embodiments, the composite material includes a metal matrix containing at least one metal, a first carbon nanotube leached fiber material, and a second carbon nanotube leached fiber material. The first carbon nanotube leached fiber material and the second carbon nanotube leached fiber material are distributed in the first region and the second region, respectively, of the metal matrix. The average length of the carbon nanotubes in the first carbon nanotube leached fiber material and the average length of the carbon nanotubes in the second carbon nanotube leached fiber material are such that the first region and the second region of the metal matrix are mechanically, electrically Selected to have different thermal or thermal properties.

本明細書には、ある実施形態において、金属マトリックス及びカーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有する複合材料を含む製品が記載される。金属マトリックスは、少なくとも１つの金属を含有する。 Described herein is an article of manufacture comprising a composite material that, in certain embodiments, includes a metal matrix and a carbon nanotube-leached fiber material. The metal matrix contains at least one metal.

本明細書には、他の様々な実施形態において、金属マトリックスを生産するための方法が記載される。その方法には、カーボンナノチューブ浸出繊維材料を提供すること、及び、そのカーボンナノチューブ浸出繊維材料を金属マトリックスに組み込むこと、が含まれる。金属マトリックスは、少なくとも１つの金属を含有する。 Described herein are methods for producing a metal matrix in various other embodiments. The method includes providing a carbon nanotube leached fiber material and incorporating the carbon nanotube leached fiber material into a metal matrix. The metal matrix contains at least one metal.

前述では、後述の詳細な説明をより良く理解するために、本開示の特徴をある程度広く概説した。本開示の更なる特徴及び利点は後述されるが、これらは特許請求の範囲の主題を形成する。 The foregoing has outlined rather broadly the features of the present disclosure in order that the detailed description that follows may be better understood. Additional features and advantages of the disclosure will be described hereinafter, which form the subject of the claims.

炭素繊維に浸出したカーボンナノチューブの例示的なＴＥＭ画像を示す。2 shows an exemplary TEM image of carbon nanotubes leached into carbon fibers. カーボンナノチューブが浸出した炭素繊維の例示的なＳＥＭ画像を示しており、ここで、カーボンナノチューブは目標長さ４０μｍの＋２０％以内の長さである。FIG. 4 shows an exemplary SEM image of carbon fibers leached with carbon nanotubes, where the carbon nanotubes are within + 20% of the target length of 40 μm. カーボンナノチューブ浸出炭素繊維織物（fabric weave）の例示的なＳＥＭ画像を示す。Figure 2 shows an exemplary SEM image of a carbon nanotube leached carbon fiber fabric. カーボンナノチューブ浸出繊維材料を含むアルミニウム合金複合材料の例示的なＳＥＭ画像を示す。2 shows an exemplary SEM image of an aluminum alloy composite comprising a carbon nanotube leached fiber material.

本開示及びその利点を十分理解するために、以下の詳細な説明を本開示の特定の実施形態を説明する添付図面と一致させて説明する。 For a full understanding of the present disclosure and its advantages, the following detailed description is set forth in conjunction with the accompanying drawings illustrating specific embodiments of the disclosure.

本開示は、１つには、金属マトリックス及びカーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有する複合材料を対象とする。また、本開示は、１つには、金属マトリックス及びカーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有する複合材料と、このような複合材料を有する製品と、を製造するための方法を対象とする。 The present disclosure is directed, in part, to a composite material that includes a metal matrix and a carbon nanotube leached fiber material. The present disclosure is also directed, in part, to a method for manufacturing a composite material that includes a metal matrix and a carbon nanotube leached fiber material and a product having such a composite material.

繊維材料と複合材料マトリックス（composite matrix）を含有する複合材料において、複合材料マトリックス（例えば、金属マトリックス）には、繊維材料により物理的又は化学的に強化された性質が与えられる。本複合材料において、これらの強化される性質は、繊維材料に浸出したカーボンナノチューブにより更に向上する。繊維材料だけでは強化が不可能な性質の中には、カーボンナノチューブを繊維材料に浸出させることにより、強化されるものがある（例えば、電気伝導度、熱伝導度、及び熱膨張の向上）。これらの性質の強化については、以下において詳細に考察される。 In a composite material containing a fibrous material and a composite matrix, the composite matrix (eg, a metal matrix) is imparted with properties that are physically or chemically reinforced by the fibrous material. In the present composite material, these enhanced properties are further enhanced by the carbon nanotubes leached into the fiber material. Among the properties that cannot be reinforced by the fiber material alone, there are some properties that can be reinforced by leaching carbon nanotubes into the fiber material (for example, improved electrical conductivity, thermal conductivity, and thermal expansion). The enhancement of these properties is discussed in detail below.

カーボンナノチューブ浸出繊維材料は、カーボンナノチューブを複合材料に導入するための多用途基盤（versatile platform）である。複合材料にカーボンナノチューブ浸出繊維材料を用いることにより、カーボンナノチューブの組み込みに関する重要な問題を解消することが可能となる。また、例えば、繊維材料に浸出するカーボンナノチューブの長さ及び被覆密度（density of coverage）を変化させることにより、複合材料に異なる性質を選択的に与えることができる。例えば、長さの短いカーボンナノチューブは、複合材料に対して構造的な支持体を与えるために用いられる。長いカーボンナノチューブは、構造的な支持体を与えることに加え、一般的に低伝導性又は非伝導性の複合材料において電気伝導性のパーコレーション経路を確立するために用いられる。電気伝導性は物理的に熱的伝導性に関係し、関連する熱膨張係数の改善を実現するうえで、複合材料、特に、金属マトリックス複合材料にカーボンナノチューブ浸出繊維材料を含むことは有利である。また、複合材料の異なる領域において、カーボンナノチューブ浸出繊維材料の不均一配置又は勾配配置を用いることにより、複合材料の異なる領域に対して所望の性質を選択的に与えることができる。 Carbon nanotube leached fiber material is a versatile platform for introducing carbon nanotubes into composite materials. By using a carbon nanotube leached fiber material for the composite material, it becomes possible to eliminate an important problem related to the incorporation of carbon nanotubes. Also, for example, different properties can be imparted to the composite material by changing the length and density of coverage of the carbon nanotubes leached into the fiber material. For example, short carbon nanotubes are used to provide a structural support for the composite material. In addition to providing structural support, long carbon nanotubes are generally used to establish electrically conductive percolation paths in low-conductivity or non-conductivity composite materials. Electrical conductivity is physically related to thermal conductivity, and it is advantageous to include carbon nanotube leached fiber materials in composite materials, particularly metal matrix composites, to achieve the associated improvement in coefficient of thermal expansion. . Also, the desired properties can be selectively imparted to different regions of the composite material by using a non-uniform or gradient arrangement of the carbon nanotube leached fiber material in different regions of the composite material.

複合材料、特に、金属マトリックス複合材料の用途は拡大し続けている。この複合材料の既存の及び新たな用途は、現在の繊維強化技術の限界を押し広げ続けている。カーボンナノチューブが浸出した繊維材料を含有する複合材料は、現在の技術的な障害を解消する１つの方法であり、これにより、構造的な強度、及び、更なる有益な性質（例えば、電気伝導性及び熱伝導性など）のいずれについても向上した複合材料を提供できる。複合材料の熱伝導性に影響を与える目的で複合材料に繊維材料を含めることは、当該技術分野で慣行化されていない。カーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有する複合材料には、複合材料に構造的強化あるいは他の性質強化をもたらすことが好ましい他の多くの潜在的な用途が存在する。例えば、本金属マトリックス複合材料の例示的な用途には、耐摩耗性の向上、及び熱伝導性の強化が好ましい例が含まれる。このような用途には、例えば、ブレーキローター、ドライブシャフト、工具（tools）、ヒートシンク、ハウジング、ベースプレート（base plates）、及び熱分散器（thermal spreader）などの限定されない利用法が含まれる。 Applications of composite materials, particularly metal matrix composite materials, continue to expand. Existing and new applications of this composite continue to push the limits of current fiber reinforcement technology. Composite materials containing fibrous materials leached with carbon nanotubes are one way to overcome current technical obstacles, thereby providing structural strength and additional beneficial properties (eg, electrical conductivity). And a composite material improved in both of the thermal conductivity and the like. Inclusion of fiber material in the composite material for the purpose of affecting the thermal conductivity of the composite material has not become common practice in the art. There are many other potential applications for composite materials containing carbon nanotube leached fiber materials that preferably provide structural or other property enhancement to the composite material. For example, exemplary applications of the present metal matrix composites include examples where improved wear resistance and enhanced thermal conductivity are preferred. Such applications include, but are not limited to, applications such as brake rotors, drive shafts, tools, heat sinks, housings, base plates, and thermal spreaders.

本明細書において、用語「金属マトリックス」とは、ランダム（random）配向などの特定の配向でカーボンナノチューブ浸出繊維材料を組織化する働きをする、少なくとも１つの金属を意味する。複合材料において、金属マトリックスは、これにカーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有させることにより、例えば、構造的、電気的又は熱的性質の強化を通して利益を得る。 As used herein, the term “metal matrix” means at least one metal that serves to organize the carbon nanotube leached fiber material in a specific orientation, such as a random orientation. In the composite material, the metal matrix benefits from including, for example, enhanced structural, electrical or thermal properties by incorporating it into the carbon nanotube leached fiber material.

本明細書において、用語「浸出する」とは結合することを意味し、用語「浸出」とは、結合プロセスを意味する。例えば、カーボンナノチューブが浸出した繊維材料は、カーボンナノチューブが結合した繊維材料を意味する。繊維材料に対するカーボンナノチューブのこのような結合には、共有結合、イオン結合、π−π相互作用又はファンデルワールス力の介在した物理吸着などが包含され得る。ある実施形態において、カーボンナノチューブは繊維材料に直接的に結合される。他の実施形態において、カーボンナノチューブは、カーボンナノチューブの成長を媒介するために用いられるバリアコーティング又は触媒ナノ粒子を介して繊維材料に間接的に結合される。カーボンナノチューブが繊維材料に浸出する具体的な態様は、結合モチーフ（bonding motif）と呼ばれる。 As used herein, the term “leaching” means bonding, and the term “leaching” means a bonding process. For example, a fiber material in which carbon nanotubes are leached means a fiber material in which carbon nanotubes are bonded. Such bonds of carbon nanotubes to the fiber material can include covalent bonds, ionic bonds, π-π interactions, or physical adsorption mediated by van der Waals forces. In certain embodiments, the carbon nanotubes are directly bonded to the fiber material. In other embodiments, the carbon nanotubes are indirectly bonded to the fiber material via a barrier coating or catalyst nanoparticles used to mediate the growth of the carbon nanotubes. The specific mode in which carbon nanotubes leach into the fiber material is called a bonding motif.

本明細書において、用語「ナノ粒子」とは、相当球径で約０．１ｎｍから約１００ｎｍの直径を有する粒子を意味するが、ナノ粒子は必ずしも球形である必要はない。 As used herein, the term “nanoparticle” means a particle having an equivalent sphere diameter of from about 0.1 nm to about 100 nm, but the nanoparticle need not necessarily be spherical.

本明細書において、用語「保護層（passivation layer）」とは、カーボンナノチューブ浸出繊維材料上の少なくとも一部に付着して（deposited）、これにより繊維材料又はその上に浸出するカーボンナノチューブの反応を防止又は十分に抑制する層を意味する。保護層は、例えば、高温下における複合材料の形成中、反応を防止又は十分に抑制するのに有用である。また、保護層は、複合材料の形成前後における大気成分との反応を防止又は十分に抑制する。保護層のための例示的な材料には、例えば、電気めっきされたニッケル又は二ホウ化チタンが含まれる。 As used herein, the term “passivation layer” refers to the reaction of carbon nanotubes deposited on at least a portion of a carbon nanotube leached fiber material, thereby leaching onto the fiber material. It means a layer that prevents or sufficiently suppresses. The protective layer is useful, for example, to prevent or sufficiently inhibit the reaction during the formation of the composite material at high temperatures. Further, the protective layer prevents or sufficiently suppresses reaction with atmospheric components before and after the formation of the composite material. Exemplary materials for the protective layer include, for example, electroplated nickel or titanium diboride.

本明細書において、用語「サイジング剤（sizing agent）」又は「サイジング（sizing）」とは、繊維材料の健全性を保護するための、複合材料における繊維材料と金属マトリックスとの界面相互作用を強化するための、あるいは、繊維材料の特定の物理的性質を変更又は強化するためのコーティングとして、繊維材料の製造において用いられる材料を総称するものである。 As used herein, the term “sizing agent” or “sizing” enhances the interfacial interaction between a fiber material and a metal matrix in a composite material to protect the integrity of the fiber material. It is a generic term for materials used in the manufacture of fiber materials as coatings to do or to modify or enhance certain physical properties of the fiber material.

本明細書において、用語「巻き取り可能な寸法」とは、長さが限定されず、カーボンナノチューブの浸出後に繊維材料をスプール（spool）又はマンドレル（mandrel）に巻き取っておくことを可能にする、繊維材料の少なくとも１つの寸法をいう。「巻き取り可能な寸法」の繊維材料は、繊維材料に対するカーボンナノチューブ浸出のためのバッチ（batch）プロセス又は連続プロセスのいずれかの使用を示す少なくとも１つの寸法を有する。 As used herein, the term “windable dimension” is not limited in length and allows the fiber material to be wound into a spool or mandrel after leaching of the carbon nanotubes. , Refers to at least one dimension of the fiber material. A “rollable dimension” fiber material has at least one dimension that indicates the use of either a batch process or a continuous process for carbon nanotube leaching of the fiber material.

本明細書において、用語「遷移金属」とは、周期表のｄブロック（第３属から第１２属）におけるあらゆる元素又はその合金をいう。また、用語「遷移金属塩」とは、例えば、遷移金属の酸化物、炭化物、窒化物などのあらゆる遷移金属化合物も意味する。例示的な遷移金属触媒ナノ粒子には、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、これらの合金、これらの塩、及びこれらの混合物が含まれる。 In the present specification, the term “transition metal” refers to any element in the d block (Group 3 to Group 12) of the periodic table or an alloy thereof. In addition, the term “transition metal salt” means any transition metal compound such as an oxide, carbide, or nitride of a transition metal. Exemplary transition metal catalyst nanoparticles include, for example, Ni, Fe, Co, Mo, Cu, Pt, Au, Ag, alloys thereof, salts thereof, and mixtures thereof.

本明細書において、「長さが均一」とは、約１μｍから約５００μｍに及ぶカーボンナノチューブ長さに関して、全てのカーボンナノチューブ長さの誤差が±約２０％以内となるような長さをカーボンナノチューブが有する状態である。極めて短いカーボンナノチューブ長さ（例えば、約１μｍから約４μｍまで）では、全てのカーボンナノチューブ長さの誤差は、±約１μｍ、すなわち、約２０％よりも若干大きくてもよい。 In the present specification, “uniform length” means a length of carbon nanotubes ranging from about 1 μm to about 500 μm, such that all carbon nanotube length errors are within ± 20%. This is a state that has. For very short carbon nanotube lengths (eg, from about 1 μm to about 4 μm), the total carbon nanotube length error may be ± about 1 μm, or slightly greater than about 20%.

本明細書において、「密度分布が均一」とは、繊維材料上におけるカーボンナノチューブの密度が、カーボンナノチューブにより被覆される繊維材料表面積の被覆率で±約１０％の誤差を有している状態を意味する。 In this specification, “the density distribution is uniform” means that the density of the carbon nanotubes on the fiber material has an error of ± about 10% in the coverage of the surface area of the fiber material covered with the carbon nanotubes. means.

本明細書の様々な実施形態において、金属マトリックス及びカーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有する複合材料が記載されている。金属マトリックスは少なくとも１つの金属を含有する。 In various embodiments herein, composite materials containing a metal matrix and a carbon nanotube leached fiber material are described. The metal matrix contains at least one metal.

カーボンナノチューブが浸出した繊維材料（炭素繊維、セラミック繊維、金属繊維及びガラス繊維など）は、２００９年１１月２日に全て出願され、同時係属中である出願人の米国特許出願第１２／６１１，０７３号、第１２／６１１，１０１号及び第１２／６１１，１０３号に記載されており、各出願について、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。図１は、炭素繊維に浸出したカーボンナノチューブの例示的なＴＥＭ画像を示す。図２は、カーボンナノチューブが浸出した炭素繊維の例示的なＳＥＭ画像を示しており、ここで、カーボンナノチューブは目標長さ４０μｍの＋２０％以内の長さである。図１及び２の画像において、カーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブであるが、単層カーボンナノチューブ、２層カーボンナノチューブ及び３層以上の多層カーボンナノチューブなどのあらゆるカーボンナノチューブを用いて本複合材料の繊維材料に浸出させてもよい。 Fiber materials leached with carbon nanotubes (such as carbon fiber, ceramic fiber, metal fiber and glass fiber) are all filed on Nov. 2, 2009 and are co-pending US patent application Ser. No. 12/611. No. 073, 12 / 611,101 and 12 / 611,103, the entire contents of each application being incorporated herein by reference. FIG. 1 shows an exemplary TEM image of carbon nanotubes leached into carbon fibers. FIG. 2 shows an exemplary SEM image of carbon fibers leached with carbon nanotubes, where the carbon nanotubes are within + 20% of the target length of 40 μm. In the images of FIGS. 1 and 2, the carbon nanotubes are multi-walled carbon nanotubes. However, any carbon nanotubes such as single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, and multi-walled carbon nanotubes having three or more layers are used as the fiber material of the composite material. It may be leached.

前述の繊維材料は、カーボンナノチューブが浸出可能であり複合材料に包含可能な様々な繊維材料の単なる例示である。本明細書に記載される様々な実施形態のすべてにおいて、カーボンナノチューブが浸出し得る繊維材料には、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維及び有機繊維（例えば、アラミド繊維）が含まれる。ある実施形態において、繊維材料には、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維、有機繊維、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維、炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）繊維、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）繊維、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）繊維、及びこれらの様々な組み合わせが含まれる。ある実施形態において、カーボンナノチューブの好ましい性質が、カーボンナノチューブの浸出する繊維材料に与えられ、これにより、得られる複合材料の金属マトリックスを強化する。当業者であれば、本明細書に記載される実施形態に、カーボンナノチューブが浸出可能なあらゆる種類の繊維材料を用いて、これにより要求される目的の性質を強化し得ることも理解できるであろう。さらに、繊維材料の同一性（identity）若しくは割合（fraction）、又は繊維材料に浸出するカーボンナノチューブ量を変化させることにより、複合材料で異なる性質に対応することが可能である。理論又はメカニズムに拘束されるものではないが、出願人は、繊維材料が複合材料の金属マトリックスを構造的に強化すると考える。 The foregoing fiber materials are merely illustrative of the various fiber materials from which carbon nanotubes can be leached and can be included in a composite material. In all of the various embodiments described herein, fiber materials from which carbon nanotubes can be leached include, for example, glass fibers, carbon fibers, metal fibers, ceramic fibers, and organic fibers (eg, aramid fibers). It is. In certain embodiments, the fiber material includes, for example, glass fiber, carbon fiber, metal fiber, ceramic fiber, organic fiber, silicon carbide (SiC) fiber, boron carbide (B ₄ C) fiber, silicon nitride (Si ₃ N _4). ) Fibers, aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) fibers, and various combinations thereof. In certain embodiments, the preferred properties of the carbon nanotubes are imparted to the carbon nanotube leaching fiber material, thereby strengthening the metal matrix of the resulting composite material. One skilled in the art will also understand that the embodiments described herein can be used with any type of fiber material from which carbon nanotubes can be leached, thereby enhancing the desired properties required. Let's go. Furthermore, it is possible to accommodate different properties in the composite material by changing the identity or fraction of the fiber material, or the amount of carbon nanotubes leached into the fiber material. Without being bound by theory or mechanism, Applicants believe that the fiber material structurally strengthens the metal matrix of the composite material.

ある実施形態において、カーボンナノチューブ浸出繊維材料は、カーボンナノチューブのない繊維材料を伴う複合材料に含まれ得る。例示的な組み合わせには、限定するものではないが、カーボンナノチューブ浸出ガラス繊維とカーボンナノチューブが浸出していないセラミック繊維、カーボンナノチューブ浸出セラミック繊維とカーボンナノチューブが浸出していないガラス繊維、カーボンナノチューブ浸出炭素繊維とカーボンナノチューブ浸出していないセラミック繊維、及び、カーボンナノチューブ浸出炭素繊維とカーボンナノチューブが浸出していないガラス繊維が含まれる。また、あらゆる種類のカーボンナノチューブ浸出繊維も、カーボンナノチューブが浸出していない同種の繊維材料とともに複合材料に含まれてもよい。 In certain embodiments, the carbon nanotube leached fiber material can be included in a composite with a fiber material that is free of carbon nanotubes. Exemplary combinations include, but are not limited to, carbon nanotube leached glass fibers and ceramic fibers that are not leached with carbon nanotubes, carbon nanotube leached ceramic fibers and glass fibers that are not leached with carbon nanotubes, carbon nanotubes leached carbon The fibers include ceramic fibers that are not leached with carbon nanotubes, and glass fibers that are not leached with carbon nanotubes leached with carbon nanotubes. In addition, all kinds of carbon nanotube leached fibers may be included in the composite material together with the same kind of fiber material from which the carbon nanotubes are not leached.

炭素繊維は、繊維の生成に用いられる前駆体（そのいずれもが本明細書に記載される様々な実施形態に使用可能）、すなわち、レーヨン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）及びピッチ（pitch）に基づいて３種類に分類される。セルロース系材料であるレーヨン前駆体から作られる炭素繊維は、炭素含有量が約２０％と比較的低く、その繊維は低強度かつ低剛性を有する傾向にある。対照的に、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）前駆体が提供する炭素繊維は、炭素含有量が約５５％であり、表面欠陥が最小限であるため、極めて優れた引張強度を有する。石油アスファルト、コールタール及びポリ塩化ビニルに基づくピッチ前駆体もまた、炭素繊維を生成するために用いられる。ピッチは、比較的低コストで炭素収率が高いが、得られる炭素繊維に対する既知のバッチ処理に不均一性という問題がある。 Carbon fibers are based on the precursors used to produce the fibers, any of which can be used in the various embodiments described herein, ie, rayon, polyacrylonitrile (PAN) and pitch. There are three types. Carbon fibers made from a rayon precursor, which is a cellulosic material, have a relatively low carbon content of about 20%, and the fibers tend to have low strength and low rigidity. In contrast, the carbon fiber provided by the polyacrylonitrile (PAN) precursor has a very good tensile strength due to its carbon content of about 55% and minimal surface defects. Pitch precursors based on petroleum asphalt, coal tar and polyvinyl chloride are also used to produce carbon fibers. Pitch has a relatively low cost and high carbon yield, but has the problem of non-uniformity in known batch processes for the resulting carbon fibers.

様々な実施形態において、本複合材料の繊維材料は、フィラメント（filament）、ヤーン（yarn）、繊維トウ（fiber tow）、テープ、繊維編組（fiber-braid）、織物（woven fabric）、不織織物（non-woven fabric）、繊維プライ（fiber ply）、及び、他の３次元織物構造体又は３次元不織織物構造体の限定されない形態である。例えば、繊維材料が炭素繊維である実施形態において、繊維材料は、炭素フィラメント、炭素繊維ヤーン、炭素繊維トウ、炭素テープ、炭素繊維編組、炭素織物、不織炭素繊維マット（no-woven carbon fiber mat）、炭素繊維プライ、及び、他の３次元織物構造体又は３次元不織構造体などの限定されない形態であってよい。一例として、図３は、カーボンナノチューブ浸出炭素繊維織物の例示的なＳＥＭ画像を示す。様々な実施形態において、均一な長さ及び均一な分布のカーボンナノチューブは、巻き取り可能な長さのフィラメント、繊維トウ、ヤーン、テープ、織物及び他の３次元織物構造体に沿って生成される。フィラメント、繊維トウ、ヤーン、マット、織物及び不織織物などにカーボンナノチューブを直接浸出させることができる一方、カーボンナノチューブ浸出繊維でできた元となる繊維トウ、ヤーンなどからこのような高い規則構造を生成することも可能である。例えば、カーボンナノチューブ浸出繊維材料を、カーボンナノチューブ浸出繊維トウでできた織物に変えることができる。 In various embodiments, the fiber material of the composite material is a filament, yarn, fiber tow, tape, fiber-braid, woven fabric, non-woven fabric (Non-woven fabric), fiber ply, and other three-dimensional woven structures or non-limiting forms of three-dimensional non-woven woven structures. For example, in embodiments where the fiber material is carbon fiber, the fiber material may be carbon filament, carbon fiber yarn, carbon fiber tow, carbon tape, carbon fiber braid, carbon woven, non-woven carbon fiber mat. ), Carbon fiber plies, and other three-dimensional woven or three-dimensional non-woven structures. As an example, FIG. 3 shows an exemplary SEM image of a carbon nanotube leached carbon fiber fabric. In various embodiments, uniform length and uniform distribution of carbon nanotubes are generated along the length of windable filaments, fiber tows, yarns, tapes, fabrics and other three-dimensional fabric structures. . While carbon nanotubes can be leached directly into filaments, fiber tows, yarns, mats, woven fabrics and non-woven fabrics, such a highly ordered structure is produced from the original fiber tows and yarns made of carbon nanotube leached fibers. It is also possible to generate. For example, a carbon nanotube leached fiber material can be converted to a fabric made of carbon nanotube leached fiber tows.

フィラメントには、大きさが約１μｍから約１００μｍまでの直径を有する高アスペクト比の繊維が含まれる。 Filaments include high aspect ratio fibers having a diameter from about 1 μm to about 100 μm.

繊維トウは、通常、炭素フィラメントを密に結合した束（bundle）であり、ある実施形態では、これが撚り合わされてヤーンとなる。ヤーンには、撚り合わされたフィラメントを密に結合した束が含まれるが、ここで、ヤーンにおける各フィラメントの直径は、比較的均一である。ヤーンには、「テックス（tex）」（１０００リニアメーター当たりのグラム重量として示される）又は「デニール（denier）」（１０，０００ヤード当たりのポンド重量として示される）で表される様々な重量がある。ヤーンに関して、標準的なテックス範囲は、通常、約２００テックスから約２０００テックスまでである。 A fiber tow is typically a bundle of closely bonded carbon filaments, which in one embodiment are twisted into a yarn. The yarn includes a bundle of tightly joined twisted filaments, where the diameter of each filament in the yarn is relatively uniform. Yarns come in various weights expressed as "tex" (shown as gram weight per 1000 linear meters) or "denier" (shown as pound weight per 10,000 yards). is there. For yarns, the standard tex range is usually from about 200 tex to about 2000 tex.

繊維編組は、繊維が高密度に詰め込まれたロープ状構造体を示す。このようなロープ状構造体は、例えば、ヤーンから組まれる。編組構造体は中空部分を含んでもよく、あるいは、別のコア材料の周囲に組まれてもよい。 The fiber braid indicates a rope-like structure in which fibers are packed at a high density. Such a rope-like structure is assembled from, for example, yarn. The braided structure may include a hollow portion or may be braided around another core material.

繊維トウには、撚り合わされていないフィラメントを緩く結合した束が含まれる。ヤーンと同様に、繊維トウにおけるフィラメントの直径は概して均一である。また、繊維トウも様々な重量を有し、テックス範囲は、通常、約２００テックスから約２０００テックスの間である。加えて、繊維トウは、例えば、１２Ｋトウ、２４Ｋトウ、４８Ｋトウなどの繊維トウ内にある数千のフィラメントの数により、しばしば特徴付けられる。 Fiber tows include bundles of loosely bound filaments that are not twisted together. Like the yarn, the filament diameter in the fiber tow is generally uniform. Fiber tows also have varying weights, and the tex range is typically between about 200 tex and about 2000 tex. In addition, fiber tows are often characterized by the number of thousands of filaments present in the fiber tows, for example, 12K tows, 24K tows, 48K tows.

テープは、例えば、織物又は不織の扁平繊維トウとして組まれる繊維材料である。テープは様々な幅をもち、通常、リボンに類似する両面構造体である。本明細書に記載される様々な実施形態において、カーボンナノチューブは、テープの一面又は両面において、テープの繊維材料に浸出する。また、種類、直径又は長さの異なるカーボンナノチューブが、テープの各面で成長可能である。種類、直径又は長さの異なるカーボンナノチューブを繊維材料に浸出させる利点は、以下の本明細書で考察される。同時係属中である出願人の米国特許出願に記載されるように、スプールのテープに対するカーボンナノチューブの浸出は、連続的な方法で実施される。 The tape is, for example, a fiber material that is assembled as a woven or non-woven flat fiber tow. Tapes have various widths and are usually double-sided structures similar to ribbons. In various embodiments described herein, the carbon nanotubes leach into the fiber material of the tape on one or both sides of the tape. Also, carbon nanotubes of different types, diameters or lengths can be grown on each side of the tape. The advantages of leaching carbon nanotubes of different types, diameters or lengths into the fiber material are discussed herein below. As described in co-pending Applicant's US patent application, leaching of carbon nanotubes to spool tape is performed in a continuous manner.

ある実施形態において、繊維材料は、織物又はシート状構造体に組織化される。これらには、前述のテープに加えて、例えば、織物、不織繊維マット及び繊維プライが含まれる。このような高い規則構造は、繊維材料に既に浸出しているカーボンナノチューブを伴って、元となる繊維トウ、ヤーン、フィラメントなどから組まれる。テープと同様に、このような構造体もまた、カーボンナノチューブの連続的な浸出のための基材として機能する。 In certain embodiments, the fibrous material is organized into a woven or sheet-like structure. These include, for example, woven fabrics, nonwoven fiber mats and fiber plies in addition to the tapes described above. Such highly ordered structures are assembled from the original fiber tows, yarns, filaments, etc. with the carbon nanotubes already leached into the fiber material. Similar to tape, such a structure also serves as a substrate for continuous leaching of carbon nanotubes.

同時係属中である出願人の出願に記載されるように、繊維材料は、その上でカーボンナノチューブを成長させる目的で改質され、繊維材料上に触媒ナノ粒子層（通常は単分子層にすぎない）を提供する。様々な実施形態において、カーボンナノチューブの成長を媒介するために用いられる触媒ナノ粒子は、遷移金属及びこれらの様々な塩である。 As described in the co-pending applicant's application, the fiber material is modified for the purpose of growing carbon nanotubes thereon, and a catalytic nanoparticle layer (usually just a monolayer) on the fiber material. Not). In various embodiments, the catalyst nanoparticles used to mediate the growth of carbon nanotubes are transition metals and various salts thereof.

ある実施形態において、繊維材料には、更にバリアコーティングが含まれる。例示的なバリアコーティングには、例えば、アルコキシシラン、メチルシロキサン、アルモキサン、アルミナナノ粒子、スピンオンガラス（spin on glass）及びガラスナノ粒子が含まれる。例えば、１つの実施形態では、バリアコーティングはＡｃｃｕｇｌａｓｓ（登録商標）Ｔ−１１のスピンオンガラス（Honeywell International Inc., Morristown, NJ）である。ある実施形態において、カーボンナノチューブ合成のための触媒ナノ粒子は、未硬化のバリアコーティング材と混合されて、その後、共に繊維材料に適用される（applied）。他の実施形態において、バリアコーティング材は、触媒ナノ粒子の付着（deposition）前に繊維材料に加えられる。バリアコーティングは、通常、カーボンナノチューブ成長のための炭素原料ガスに対する触媒ナノ粒子の曝露を可能にするのに十分な薄さである。ある実施形態では、バリアコーティングの厚さは、触媒ナノ粒子の有効径未満か、あるいは、それとほぼ等しい。ある実施形態では、バリアコーティングの厚さは、約１０ｎｍから約１００ｎｍの範囲である。他の実施形態では、バリアコーティングの厚さは、４０ｎｍを含む、約１０ｎｍから約５０ｎｍの範囲である。ある実施形態では、バリアコーティングの厚さは、約１０ｎｍ未満であり、約１ｎｍ、約２ｎｍ、約３ｎｍ、約４ｎｍ、約５ｎｍ、約６ｎｍ、約７ｎｍ、約８ｎｍ、約９ｎｍ及び約１０ｎｍと、これらの全中間値とその端数を含む。 In certain embodiments, the fiber material further includes a barrier coating. Exemplary barrier coatings include, for example, alkoxysilanes, methylsiloxanes, alumoxanes, alumina nanoparticles, spin on glass and glass nanoparticles. For example, in one embodiment, the barrier coating is Accuglass® T-11 spin-on glass (Honeywell International Inc., Morristown, NJ). In certain embodiments, catalyst nanoparticles for carbon nanotube synthesis are mixed with an uncured barrier coating material and then applied together to the fiber material. In other embodiments, the barrier coating material is added to the fiber material prior to the deposition of the catalyst nanoparticles. The barrier coating is usually thin enough to allow exposure of the catalyst nanoparticles to a carbon source gas for carbon nanotube growth. In certain embodiments, the thickness of the barrier coating is less than or approximately equal to the effective diameter of the catalyst nanoparticles. In certain embodiments, the thickness of the barrier coating ranges from about 10 nm to about 100 nm. In other embodiments, the thickness of the barrier coating ranges from about 10 nm to about 50 nm, including 40 nm. In certain embodiments, the thickness of the barrier coating is less than about 10 nm, such as about 1 nm, about 2 nm, about 3 nm, about 4 nm, about 5 nm, about 6 nm, about 7 nm, about 8 nm, about 9 nm, and about 10 nm. Including all intermediate values and fractions.

理論に拘束されるものではないが、バリアコーティングは、繊維材料とカーボンナノチューブとの間の中間層として機能し、また、繊維材料に対してカーボンナノチューブを機械的に浸出させる。このような機械的な浸出は、カーボンナノチューブの有益な性質が繊維材料に与えられるようにしつつ、繊維材料がカーボンナノチューブを組織化するための基盤として機能する強固なシステムを提供する。さらに、バリアコーティングを含むことの利点は、水分にさらされることに起因した化学的損傷、又は、カーボンナノチューブ成長を促進するために用いられる高温での熱的損傷から、繊維材料を保護するという点にもある。ある実施形態において、バリアコーティングは、カーボンナノチューブ浸出繊維材料が複合材料に組み込まれる前に除去される。一方、他の実施形態では、複合材料は、バリアコーティングが損なわれていないカーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有してもよい。 Without being bound by theory, the barrier coating functions as an intermediate layer between the fiber material and the carbon nanotubes and mechanically leaches the carbon nanotubes against the fiber material. Such mechanical leaching provides a robust system in which the fibrous material functions as a basis for organizing the carbon nanotubes while allowing the beneficial properties of the carbon nanotubes to be imparted to the fibrous material. In addition, the advantage of including a barrier coating is that it protects the fiber material from chemical damage due to moisture exposure, or from high temperature thermal damage used to promote carbon nanotube growth. There is also. In certain embodiments, the barrier coating is removed before the carbon nanotube leached fiber material is incorporated into the composite material. On the other hand, in other embodiments, the composite material may contain a carbon nanotube leached fiber material in which the barrier coating is intact.

触媒ナノ粒子の付着後、ある実施形態では、化学蒸着（ＣＶＤ）ベースのプロセスが用いられ、これにより、繊維材料上でカーボンナノチューブを連続的に成長させる。得られるカーボンナノチューブ浸出繊維材料は、それ自体が複合材料構造である。より概略的には、当業者に既知のあらゆる技術を用いてカーボンナノチューブを繊維材料に浸出させることができる。カーボンナノチューブ合成のための例示的な技術には、例えば、マイクロキャビティ（micro-cavity）、熱又はプラズマＣＶＤ法、レーザー・アブレーション、アーク放電、及び高圧一酸化炭素法（ＨｉＰＣＯ）による合成が含まれる。ある実施形態において、ＣＶＤ成長は、成長プロセス中に電界を提供することによりプラズマで支援され、これにより、カーボンナノチューブは電界方向に従う。 After deposition of the catalyst nanoparticles, in one embodiment, a chemical vapor deposition (CVD) based process is used to continuously grow carbon nanotubes on the fiber material. The resulting carbon nanotube leached fiber material is itself a composite structure. More generally, the carbon nanotubes can be leached into the fiber material using any technique known to those skilled in the art. Exemplary techniques for carbon nanotube synthesis include, for example, synthesis by micro-cavity, thermal or plasma CVD methods, laser ablation, arc discharge, and high pressure carbon monoxide method (HiPCO). . In certain embodiments, CVD growth is assisted by a plasma by providing an electric field during the growth process, whereby the carbon nanotubes follow the electric field direction.

本複合材料の繊維材料に浸出するカーボンナノチューブの種類は、通常、限定されることなく様々である。本明細書の様々な実施形態において、繊維材料上に浸出するカーボンナノチューブは、例えば、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴｓ）、２層カーボンナノチューブ（ＤＷＮＴｓ）、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴｓ）及びこれらのあらゆる組み合わせなど、フラーレン族のうち円筒状をしたあらゆる炭素数の同素体であってよい。ある実施形態において、カーボンナノチューブはフラーレン様構造で閉塞される。換言すれば、このような実施形態では、カーボンナノチューブは閉塞端を有している。一方、他の実施形態では、カーボンナノチューブは端部が開口した状態である。ある実施形態において、カーボンナノチューブは他の物質を封入する。ある実施形態において、カーボンナノチューブは、繊維材料に浸出した後に共有結合的に機能化される（covalently functionalized）。機能化は、例えば、複合材料のマトリックス材に対するカーボンナノチューブの親和性を向上するために用いられる。ある実施形態において、プラズマプロセスは、カーボンナノチューブの機能化を促進するために用いられる。 The types of carbon nanotubes leached into the fiber material of the present composite material are usually various without limitation. In various embodiments herein, the carbon nanotubes leached onto the fiber material include, for example, single-walled carbon nanotubes (SWNTs), double-walled carbon nanotubes (DWNTs), multi-walled carbon nanotubes (MWNTs), and any combination thereof. Any allotrope of any carbon number in a cylindrical shape among the fullerene group may be used. In certain embodiments, the carbon nanotubes are occluded with a fullerene-like structure. In other words, in such an embodiment, the carbon nanotube has a closed end. On the other hand, in another embodiment, the carbon nanotube is in an open state. In certain embodiments, the carbon nanotubes encapsulate other materials. In certain embodiments, the carbon nanotubes are covalently functionalized after leaching into the fiber material. Functionalization is used, for example, to improve the affinity of the carbon nanotubes for the matrix material of the composite material. In certain embodiments, a plasma process is used to promote carbon nanotube functionalization.

ある実施形態において、繊維材料に浸出するカーボンナノチューブは、繊維材料の長手軸に略垂直である。換言すれば、繊維材料に浸出するカーボンナノチューブは、繊維表面に対し、外方へ垂直である。他の実施形態において、繊維材料に浸出するカーボンナノチューブは、繊維材料の長手軸に対して略平行である。 In certain embodiments, the carbon nanotubes leached into the fiber material are substantially perpendicular to the longitudinal axis of the fiber material. In other words, the carbon nanotubes leached into the fiber material are perpendicular to the outside with respect to the fiber surface. In other embodiments, the carbon nanotubes leached into the fiber material are substantially parallel to the longitudinal axis of the fiber material.

ある実施形態において、繊維材料に浸出したカーボンナノチューブは束になっておらず、これにより、繊維材料とカーボンナノチューブとの間の強力な結合を促進する。束になっていないカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブの有益な性質を本複合材料に表すようにする。他の実施形態では、繊維材料に浸出したカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブの合成中における成長密度を減少させることにより、高度に均一で、絡み合った（entangled）カーボンナノチューブのマット（mat）の形態で得られる。このような実施形態において、カーボンナノチューブは、繊維材料の長手軸に対して略垂直にカーボンナノチューブを配列するのに十分な密度では成長しない。 In some embodiments, the carbon nanotubes leached into the fiber material are not bundled, thereby promoting a strong bond between the fiber material and the carbon nanotubes. Unbundled carbon nanotubes make the composite material exhibit the beneficial properties of carbon nanotubes. In other embodiments, the carbon nanotubes leached into the fiber material are obtained in the form of a highly uniform, entangled carbon nanotube mat by reducing the growth density during carbon nanotube synthesis. It is done. In such embodiments, the carbon nanotubes do not grow at a density sufficient to align the carbon nanotubes substantially perpendicular to the longitudinal axis of the fiber material.

ある実施形態において、繊維材料に浸出するカーボンナノチューブの量は、複合材料の少なくとも１つの性質が金属マトリックス単体又は繊維材料単体と比較して強化されるように選択される。このような性質には、例えば、引張強度、ヤング率、せん断強度、せん断弾性係数（shear modulus）、硬度（toughness）、圧縮強度、圧縮係数、密度、電磁波吸収率／反射率、音響透過率、電気伝導性及び熱伝導性が含まれる。また、複合材料におけるカーボンナノチューブの存在により、カーボンナノチューブのない同様の複合材料よりも、高い強度重量比を有する最終製品の複合材料をより軽量に提供することもできる。 In certain embodiments, the amount of carbon nanotubes leached into the fiber material is selected such that at least one property of the composite material is enhanced compared to the metal matrix alone or the fiber material alone. Such properties include, for example, tensile strength, Young's modulus, shear strength, shear modulus, hardness, toughness, compressive strength, compression coefficient, density, electromagnetic wave absorption / reflectance, acoustic transmittance, Electrical conductivity and thermal conductivity are included. Also, the presence of carbon nanotubes in the composite material can provide a lighter weight of the final product composite material having a higher strength to weight ratio than similar composite materials without carbon nanotubes.

ある実施形態において、要求される性質の繊維材料、結果的には複合材料を得られるように、繊維材料には特定の種類のカーボンナノチューブを浸出させ得る。例えば、種類、キラリティ、直径、長さ及び密度の様々なカーボンナノチューブを繊維材料に浸出させることにより、複合材料の電気的性質を変更することができる。特に、関連する熱的性質は、例えば、カーボンナノチューブの長さを変えることにより対応可能である。 In certain embodiments, the fiber material can be leached with a particular type of carbon nanotubes so as to obtain a fiber material of the required properties, and consequently a composite material. For example, the electrical properties of a composite material can be altered by leaching carbon nanotubes of various types, chiralities, diameters, lengths and densities into the fiber material. In particular, the relevant thermal properties can be accommodated, for example, by changing the length of the carbon nanotubes.

電気伝導性又は特定の伝導性は、電流を伝導する材料の性能についての１つの尺度である。カーボンナノチューブは、そのキラリティに応じて、金属的、半金属的又は半導体的となり得る。カーボンナノチューブのキラリティを指定するために公認の命名法が当業者に受け入れられており、２つの指数（ｎ，ｍ）を用いて識別している（ここで、ｎとｍは、六方晶系のグラファイトが管状構造に形成される場合、グラファイトの切断部及び巻き方を表す整数である）。例えば、ｍ＝ｎである場合、そのカーボンナノチューブは「アームチェア」型であるといわれる。このようなアームチェア型のカーボンナノチューブ、特に、単層カーボンナノチューブは、金属導体であり、非常に高い電気伝導性及び熱伝導性を有している。また、このような単層カーボンナノチューブは、非常に高い引張強度を有している。 Electrical conductivity or specific conductivity is a measure for the performance of a material that conducts current. Carbon nanotubes can be metallic, semi-metallic or semiconducting depending on their chirality. Approved nomenclature is accepted by those skilled in the art to specify the chirality of carbon nanotubes and is identified using two indices (n, m), where n and m are hexagonal When graphite is formed into a tubular structure, it is an integer that represents the cutting and winding of graphite). For example, if m = n, the carbon nanotube is said to be “armchair” type. Such armchair-type carbon nanotubes, particularly single-walled carbon nanotubes, are metal conductors and have very high electrical and thermal conductivity. Such single-walled carbon nanotubes have a very high tensile strength.

また、キラリティに加えてカーボンナノチューブの直径も、その電気伝導性と熱伝導性に関する性質とに影響を与える。カーボンナノチューブの合成において、カーボンナノチューブの直径は、一定サイズの触媒ナノ粒子を用いることにより制御可能である。カーボンナノチューブの直径は、通常、その形成に触媒作用を及ぼす触媒ナノ粒子の直径程度である。このため、カーボンナノチューブの性質は、例えば、カーボンナノチューブの合成に用いられる触媒ナノ粒子のサイズを調整することで、さらに制御される。限定しない例として、直径約１ｎｍの触媒ナノ粒子を用いることにより、繊維材料に単層カーボンナノチューブが浸出する。より大きな触媒ナノ粒子は、主に、多層カーボンナノチューブを作製するために用いられるが、これは、その複数のナノチューブ層のために、あるいは、単層及び多層カーボンナノチューブの混合のために、より大きな直径を有する。多層カーボンナノチューブは、通常、電流を不均一に再分配する個々のナノチューブ層の間における層間反応のために、単層カーボンナノチューブよりも複雑な導電率プロファイル（conductivity profile）を有する。一方、単層カーボンナノチューブの異なる部分を通る電流は変化しない。 In addition to chirality, the diameter of carbon nanotubes also affects their electrical and thermal conductivity properties. In the synthesis of carbon nanotubes, the diameter of carbon nanotubes can be controlled by using catalyst nanoparticles of a certain size. The diameter of the carbon nanotube is usually about the diameter of the catalyst nanoparticle that catalyzes its formation. For this reason, the properties of the carbon nanotubes are further controlled, for example, by adjusting the size of the catalyst nanoparticles used for the synthesis of the carbon nanotubes. As a non-limiting example, single-walled carbon nanotubes are leached into the fiber material by using catalyst nanoparticles with a diameter of about 1 nm. Larger catalyst nanoparticles are mainly used to make multi-walled carbon nanotubes, which are larger for their multiple nanotube layers or for a mixture of single-walled and multi-walled carbon nanotubes. Has a diameter. Multi-walled carbon nanotubes typically have a more complex conductivity profile than single-walled carbon nanotubes due to interlayer reactions between individual nanotube layers that redistribute current non-uniformly. On the other hand, the current passing through different parts of the single-walled carbon nanotube does not change.

複合材料における繊維材料の間隔は、およそ１繊維の直径よりも大きいか、又はそれと等しい（例えば、約５μｍから約５０μｍ）ため、この長さの少なくとも約半分のカーボンナノチューブが、複合材料における電気伝導性のパーコレーション経路を確立するために用いられる。このようなカーボンナノチューブの長さにより、隣接繊維間をカーボンナノチューブとカーボンナノチューブとで橋渡しすることで、電気伝導性のパーコレーション経路が確立される。繊維材料の直径と複合材料における繊維材料の間隔とに応じてカーボンナノチューブの長さは調節され、結果的に、電気伝導性のパーコレーション経路が確立される。電気伝導性のパーコレーション経路を確立することが要求されない、又は必要とされない用途において、繊維の直径よりも長さの短いカーボンナノチューブを用いて構造的な性質を強化することができる。ある実施形態において、繊維材料に浸出するカーボンナノチューブの長さは、カーボンナノチューブ合成中に、炭素含有原料ガスの流量及び圧力、キャリアガスの流量及び圧力、反応温度及びカーボンナノチューブ成長条件への曝露時間の各値を調節することにより制御可能である。 The spacing of the fiber material in the composite material is greater than or equal to approximately one fiber diameter (eg, from about 5 μm to about 50 μm), so that at least about half of this length of carbon nanotubes is electrically conductive in the composite material. Used to establish a sex percolation path. Due to the length of such carbon nanotubes, an electrical conductive percolation path is established by bridging the adjacent fibers with the carbon nanotubes. Depending on the diameter of the fiber material and the spacing of the fiber material in the composite material, the length of the carbon nanotubes is adjusted, and as a result, an electrically conductive percolation path is established. In applications where it is not required or required to establish an electrically conductive percolation path, carbon nanotubes that are shorter than the fiber diameter can be used to enhance structural properties. In some embodiments, the length of the carbon nanotubes leached into the fiber material is determined during carbon nanotube synthesis by the flow rate and pressure of the carbon-containing source gas, the flow rate and pressure of the carrier gas, the reaction temperature, and the exposure time to the carbon nanotube growth conditions. It is controllable by adjusting each value.

本複合材料のある実施形態において、同一の連続繊維材料のうち異なる部分で様々な長さを有するカーボンナノチューブが用いられる。このような場合、カーボンナノチューブが浸出した繊維材料は、金属マトリックスの１以上の性質を強化することができる。例えば、所定の複合材料において、せん断強度又は他の構造的性質を強化するために、均一に短いカーボンナノチューブを浸出させた繊維材料の第１部分と、電気的又は熱的性質を強化するために、均一に長いカーボンナノチューブを浸出させた繊維材料の第２部分と、を有することが望ましい。 In some embodiments of the composite material, carbon nanotubes having various lengths at different portions of the same continuous fiber material are used. In such a case, the fiber material leached with carbon nanotubes can reinforce one or more properties of the metal matrix. For example, in a given composite material, to enhance shear strength or other structural properties, a first portion of fibrous material leached with uniformly short carbon nanotubes and to enhance electrical or thermal properties And a second portion of fibrous material leached with uniformly long carbon nanotubes.

ある実施形態において、繊維材料に浸出したカーボンナノチューブは、概して長さが均一である。ある実施形態において、浸出したカーボンナノチューブの平均長さは、約１μｍから約５００μｍであり、約１μｍ、約２μｍ、約３μｍ、約４μｍ、約５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍ、約１０μｍ、約１５μｍ、約２０μｍ、約２５μｍ、約３０μｍ、約３５μｍ、約４０μｍ、約４５μｍ、約５０μｍ、約６０μｍ、約７０μｍ、約８０μｍ、約９０μｍ、約１００μｍ、約１５０μｍ、約２００μｍ、約２５０μｍ、約３００μｍ、約３５０μｍ、約４００μｍ、約４５０μｍ、約５００μｍや、これらの全中間値及び端数が含まれる。ある実施形態において、浸出したカーボンナノチューブの平均長さは、例えば、約０．５μｍなど約１μｍ未満であり、これらの全中間値及び端数が含まれる。ある実施形態において、浸出したカーボンナノチューブの平均長さは、約１μｍから約１０μｍであり、例えば、約１μｍ、約２μｍ、約３μｍ、約４μｍ、約５μｍ、約６μｍ、約７μｍ、約８μｍ、約９μｍ、約１０μｍや、これらの全中間値及び端数が含まれる。また他の実施形態において、浸出したカーボンナノチューブの平均長さは約５００μｍよりも大きく、例えば、約５１０μｍ、約５２０μｍ、約５５０μｍ、約６００μｍ、約７００μｍや、これらの全中間値及び端数が含まれる。様々な実施形態において、浸出したカーボンナノチューブの平均長さは、例えば、カーボンナノチューブ成長条件に対する曝露時間、成長温度、並びに、カーボンナノチューブの合成中に用いられる炭素含有原料ガス（例えば、アセチレン、エチレン又はエタノール）とキャリアガス（例えば、ヘリウム、アルゴン又は窒素）の流量及び圧力により影響を受ける。炭素含有原料ガスは、通常、カーボンナノチューブの合成中に全反応容積の約０．１％から約１５％の範囲で供給される。 In certain embodiments, the carbon nanotubes leached into the fiber material are generally uniform in length. In certain embodiments, the average length of the leached carbon nanotubes is about 1 μm to about 500 μm, about 1 μm, about 2 μm, about 3 μm, about 4 μm, about 5 μm, about 6 μm, about 7 μm, about 8 μm, about 9 μm, About 10 μm, about 15 μm, about 20 μm, about 25 μm, about 30 μm, about 35 μm, about 40 μm, about 45 μm, about 50 μm, about 60 μm, about 70 μm, about 80 μm, about 90 μm, about 100 μm, about 150 μm, about 200 μm, about 250 μm , About 300 μm, about 350 μm, about 400 μm, about 450 μm, about 500 μm, and all intermediate values and fractions thereof. In certain embodiments, the average length of the leached carbon nanotubes is less than about 1 μm, such as, for example, about 0.5 μm, including all these intermediate values and fractions. In certain embodiments, the average length of the leached carbon nanotubes is about 1 μm to about 10 μm, such as about 1 μm, about 2 μm, about 3 μm, about 4 μm, about 5 μm, about 6 μm, about 7 μm, about 8 μm, about 9 μm, about 10 μm, and all intermediate values and fractions thereof are included. In still other embodiments, the average length of the leached carbon nanotubes is greater than about 500 μm, including, for example, about 510 μm, about 520 μm, about 550 μm, about 600 μm, about 700 μm, and all intermediate values and fractions thereof. . In various embodiments, the average length of leached carbon nanotubes is determined by, for example, exposure time to carbon nanotube growth conditions, growth temperature, and the carbon-containing source gas used during carbon nanotube synthesis (eg, acetylene, ethylene or Ethanol) and carrier gas (eg, helium, argon or nitrogen) flow rates and pressures. The carbon-containing source gas is typically supplied in the range of about 0.1% to about 15% of the total reaction volume during the synthesis of carbon nanotubes.

ある実施形態において、浸出したカーボンナノチューブの平均長さは、約１μｍから約１０μｍである。このような長さを有するカーボンナノチューブは、例えば、せん断強度を向上させる用途に有用である。他の実施形態において、浸出したカーボンナノチューブの平均長さは、約５μｍから約７０μｍである。このような長さを有するカーボンナノチューブは、例えば、引張強度向上などの用途、特に、カーボンナノチューブが繊維方向に配列された場合に有用である。また他の実施形態において、カーボンナノチューブの平均長さは、約１０μｍから約１００μｍである。このような長さを有するカーボンナノチューブは、例えば、機械的性質に加えて、電気的及び熱的な伝導性も向上させるのに有用である。ある実施形態において、カーボンナノチューブの平均長さは、約１００μｍから約５００μｍである。このような長さを有するカーボンナノチューブは、例えば、電気的及び熱的な伝導性を向上させるために特に有益である。 In certain embodiments, the average length of leached carbon nanotubes is about 1 μm to about 10 μm. Carbon nanotubes having such a length are useful, for example, for applications that improve shear strength. In other embodiments, the average length of leached carbon nanotubes is from about 5 μm to about 70 μm. Carbon nanotubes having such a length are useful, for example, for applications such as improvement in tensile strength, particularly when carbon nanotubes are arranged in the fiber direction. In yet other embodiments, the average length of the carbon nanotubes is from about 10 μm to about 100 μm. Carbon nanotubes having such a length are useful, for example, for improving electrical and thermal conductivity in addition to mechanical properties. In certain embodiments, the average length of the carbon nanotubes is from about 100 μm to about 500 μm. Carbon nanotubes having such a length are particularly useful, for example, to improve electrical and thermal conductivity.

ある実施形態において、カーボンナノチューブの平均長さは、カーボンナノチューブがない複合材料に対して、複合材料の熱膨張係数を約４分の１以下まで減少させるのに十分な長さである。ある実施形態において、カーボンナノチューブの平均長さは、カーボンナノチューブがない複合材料に対して、複合材料の剛性及び磨耗性を約３倍以上まで向上させるのに十分な長さである。ある実施形態において、カーボンナノチューブの平均長さは、複合材料における電気的伝導経路を確立するのに十分な長さである。ある実施形態において、カーボンナノチューブの平均長さは、複合材料における熱的な伝導経路を確立するのに十分な長さである。 In certain embodiments, the average length of the carbon nanotubes is sufficient to reduce the coefficient of thermal expansion of the composite material to about a quarter or less relative to a composite material without carbon nanotubes. In certain embodiments, the average length of the carbon nanotubes is sufficient to improve the stiffness and wear properties of the composite material by more than about 3 times over composite materials without carbon nanotubes. In certain embodiments, the average length of the carbon nanotubes is long enough to establish an electrical conduction path in the composite material. In certain embodiments, the average length of the carbon nanotubes is long enough to establish a thermal conduction path in the composite material.

繊維材料上のカーボンナノチューブ密度の均一性に関して、ある実施形態では、繊維材料に浸出したカーボンナノチューブは、通常、密度分布が均一である。前述で定義したように、密度分布の誤差は、カーボンナノチューブが浸出する繊維材料の表面積全体で±約１０％である。限定しない例として、この誤差は、直径８ｎｍの５層カーボンナノチューブで、１平方マイクロメートル当たり±約１５００のカーボンナノチューブに相当する。このような形状ではカーボンナノチューブの内部空間を充填可能と仮定している。ある実施形態において、繊維材料のパーセント被覆率（すなわち、カーボンナノチューブで被覆される繊維材料の表面積の百分率）として表されるカーボンナノチューブ密度の最大値は、再び直径８ｎｍの５層カーボンナノチューブにおいて内部空間を充填可能と仮定すると、約５５％にもなる。５５％の表面積被覆率は、前述の寸法を有するカーボンナノチューブに関して、１平方マイクロメートル当たり最大約１５，０００のカーボンナノチューブに相当する。ある実施形態において、被覆の密度は、１平方マイクロメートル当たり最大約１５，０００のカーボンナノチューブである。当業者であれば、繊維材料表面上における触媒ナノ粒子の配置、カーボンナノチューブの成長条件に対する曝露時間、及び、繊維材料に対するカーボンナノチューブの浸出に用いられる実際の成長条件自体を変えることにより、幅広いカーボンナノチューブ密度が得られることを認識できる。前述のように、カーボンナノチューブの分布密度が高くなるとともに長さが短くなるにつれて、通常、機械的性質（例えば、引張強度）の向上について有用性が高まる一方、カーボンナノチューブの分布密度が低くなるとともに長さが長くなるにつれて、通常、熱的及び電気的性質の向上について有用性が高まる。しかしながら、増大した分布密度は、長いカーボンナノチューブが存在する場合であっても依然として有益である。 Regarding the uniformity of the carbon nanotube density on the fiber material, in certain embodiments, the carbon nanotubes leached into the fiber material typically have a uniform density distribution. As defined above, the error in density distribution is ± 10% over the entire surface area of the fiber material from which the carbon nanotubes are leached. As a non-limiting example, this error corresponds to ± 1500 carbon nanotubes per square micrometer with 5 nm diameter carbon nanotubes. In such a shape, it is assumed that the inner space of the carbon nanotube can be filled. In certain embodiments, the maximum value of carbon nanotube density, expressed as the percent coverage of the fiber material (ie, the percentage of the surface area of the fiber material coated with carbon nanotubes), is again the internal space in the 8 nm diameter 5-walled carbon nanotubes. Assuming that can be filled, it is about 55%. A surface area coverage of 55% corresponds to a maximum of about 15,000 carbon nanotubes per square micrometer for carbon nanotubes having the aforementioned dimensions. In certain embodiments, the density of the coating is up to about 15,000 carbon nanotubes per square micrometer. Those skilled in the art will be able to achieve a wide range of carbon by changing the placement of the catalyst nanoparticles on the surface of the fiber material, the exposure time to the growth conditions of the carbon nanotubes, and the actual growth conditions themselves used for leaching the carbon nanotubes to the fiber material It can be seen that nanotube density is obtained. As described above, as the distribution density of carbon nanotubes increases and the length decreases, the usefulness for improving mechanical properties (for example, tensile strength) usually increases, while the distribution density of carbon nanotubes decreases. As the length increases, the utility for improving thermal and electrical properties usually increases. However, the increased distribution density is still beneficial even when long carbon nanotubes are present.

引張強度には、３つの異なる測定値、すなわち、１）材料のひずみが弾性変形から塑性変形（その結果、材料の不可逆的な変形が生じる）に変化する応力を評価する降伏強度、２）引張荷重、圧縮荷重又はせん断荷重を受けたとき、材料が耐え得る最大応力を評価する終局強度、及び３）破断点における応力−ひずみ線図上での応力の座標を評価する破壊強度、が含まれる。せん断強度は、繊維方向に垂直に荷重が印加された場合に材料が破断する応力を評価する。圧縮強度は、圧縮荷重が印加された場合（すなわち、繊維方向に平行に荷重が印加される）に、材料が破断する応力を評価する。 Tensile strength has three different measurements: 1) yield strength to evaluate the stress at which the material strain changes from elastic deformation to plastic deformation (resulting in irreversible deformation of the material), 2) tensile Includes ultimate strength to assess the maximum stress that the material can withstand when subjected to load, compressive load or shear load, and 3) fracture strength to assess the coordinates of the stress on the stress-strain diagram at the point of failure . Shear strength evaluates the stress at which a material breaks when a load is applied perpendicular to the fiber direction. Compressive strength evaluates the stress at which a material breaks when a compressive load is applied (ie, a load is applied parallel to the fiber direction).

多層カーボンナノチューブは、特に、約６３ＧＰａの引張強度を達成し、これまでに測定されたあらゆる材料の中で、最も高い引張強度を有する。さらに、理論計算によれば、あるカーボンナノチューブに関して、最大約３００ＧＰａの引張強度も可能であることが示されている。本複合材料における引張強度の増加は、正確にはカーボンナノチューブの性質、さらには、繊維材料に浸出したときのカーボンナノチューブの密度及び分布による。例えば、カーボンナノチューブ浸出繊維材料では、元となる繊維材料に対して引張強度が２〜３倍以上も増加することが示されている。同じく、例示的なカーボンナノチューブ浸出繊維材料は、元となる繊維材料に対して最大で３倍以上のせん断強度と、最大で２．５倍以上の圧縮強度と、を有している。繊維材料のこのような強度増加は、カーボンナノチューブ浸出繊維材料が分布する複合材料に与えられる。 Multi-walled carbon nanotubes in particular achieve a tensile strength of about 63 GPa and have the highest tensile strength of any material measured so far. In addition, theoretical calculations show that tensile strengths of up to about 300 GPa are possible for certain carbon nanotubes. The increase in tensile strength in this composite material is precisely due to the nature of the carbon nanotubes, as well as the density and distribution of the carbon nanotubes when leached into the fiber material. For example, carbon nanotube leached fiber materials have been shown to increase tensile strength by a factor of 2 to 3 or more over the original fiber material. Similarly, an exemplary carbon nanotube leached fiber material has a shear strength of up to 3 times that of the original fiber material and a compressive strength of up to 2.5 times or more. Such an increase in strength of the fiber material is imparted to the composite material in which the carbon nanotube leached fiber material is distributed.

ある実施形態において、浸出したカーボンナノチューブを含有する繊維材料は、金属マトリックスに均一に分布する。換言すれば、カーボンナノチューブの浸出した繊維材料は、金属マトリックス中に均質的に（homogeneously）分布する。ある実施形態において、繊維材料は、金属マトリックスでランダムに配向される。このような場合、複合材料の性質は等方的に強化される。他の実施形態において、繊維材料は、金属マトリックス中で配列され、あるいは配向される。このような場合、複合材料の性質は異方的に強化される。ある実施形態において、繊維材料は、金属マトリックス中で均一に分布するとともに配列される。他の実施形態において、繊維材料は、金属マトリックス中でランダムかつ均一に分布する。 In certain embodiments, the fiber material containing the leached carbon nanotubes is uniformly distributed in the metal matrix. In other words, the carbon nanotube leached fiber material is homogeneously distributed in the metal matrix. In certain embodiments, the fiber material is randomly oriented with a metal matrix. In such a case, the properties of the composite material are isotropically enhanced. In other embodiments, the fiber material is arranged or oriented in a metal matrix. In such a case, the properties of the composite material are anisotropically enhanced. In certain embodiments, the fiber material is uniformly distributed and arranged in the metal matrix. In other embodiments, the fiber material is randomly and uniformly distributed in the metal matrix.

ある実施形態において、繊維材料は、これに浸出する２以上の異なる長さのカーボンナノチューブを有する。このような実施形態においても、繊維材料は、ランダムに分布しているか、配列されるか、あるいは何らかの方法で配向されてよい。前述のように、様々な長さのカーボンナノチューブは、同一の繊維材料の異なる部分に浸出し、複合材料に異なる性質の強化をもたらすために用いられる。 In certain embodiments, the fiber material has two or more different lengths of carbon nanotubes leached into it. In such embodiments as well, the fiber material may be randomly distributed, arranged, or oriented in some way. As described above, carbon nanotubes of various lengths are used to leach into different parts of the same fiber material, resulting in different properties of reinforcement in the composite material.

別の実施形態において、長さの異なるカーボンナノチューブは、２以上の異なる繊維材料に浸出し、その後、それぞれが複合材料に均一に分布する。このような繊維材料も、複合材料に異なる性質の強化をもたらす。したがって、第１の長さを有するカーボンナノチューブは第１の繊維材料に浸出し、第２の長さを有するカーボンナノチューブは第２の繊維材料に浸出し、これにより複合材料に異なる性質の強化をもたらす。２種類以上の繊維材料が用いられる場合にも、ランダム分布であるか、配列されるか、あるいは何らかの方法で配向されてよい。本明細書において後述されるように、浸出したカーボンナノチューブを含有する１つ、２つ又はそれ以上の繊維材料について、分布が不均一であってもよい。 In another embodiment, carbon nanotubes of different lengths are leached into two or more different fiber materials, and each is then uniformly distributed in the composite material. Such fiber materials also provide different properties of reinforcement to the composite material. Thus, carbon nanotubes having a first length are leached into a first fiber material, and carbon nanotubes having a second length are leached into a second fiber material, thereby enhancing the composite material with different properties. Bring. Even when two or more types of fiber materials are used, they may be randomly distributed, arranged, or oriented in some way. As described later in this specification, the distribution may be non-uniform for one, two or more fiber materials containing leached carbon nanotubes.

他の実施形態において、繊維材料は、金属マトリックス中で不均一に分布する。換言すれば、カーボンナノチューブ浸出繊維材料は、金属マトリックス中に不均質に（heterogeneously）分布する。ある実施形態において、不均一な分布は、金属マトリックス中における勾配分布（gradient distribution）である。ある実施形態において、金属マトリックスの第１部分には、カーボンナノチューブ浸出繊維材料が含まれ、金属マトリックスの第２部分には、カーボンナノチューブ浸出繊維材料が全く含まれない。後者の実施形態の限定しない例として、本開示の金属マトリックスの複合材料は、金属マトリックスの表面近傍に繊維材料を含んだだけで、その最外領域が選択的に強化される。 In other embodiments, the fiber material is unevenly distributed in the metal matrix. In other words, the carbon nanotube leached fiber material is distributed heterogeneously in the metal matrix. In certain embodiments, the non-uniform distribution is a gradient distribution in the metal matrix. In some embodiments, the first portion of the metal matrix includes a carbon nanotube leached fiber material and the second portion of the metal matrix does not include any carbon nanotube leached fiber material. As a non-limiting example of the latter embodiment, the metal matrix composite of the present disclosure is selectively strengthened in its outermost region only by including a fibrous material near the surface of the metal matrix.

不均一に分布するカーボンナノチューブ浸出繊維材料を含む実施形態において、カーボンナノチューブ浸出繊維材料を用いて、複合材料の特定の部分にのみ強化された性質が選択的に与えられる。限定しない例として、カーボンナノチューブ浸出繊維材料を表面近傍にのみ有する複合材料は、表面の熱伝導性（heat transfer properties）を強化するために、又は表面に耐衝撃性（impact resistance）を与えるために用いられる。別の実施形態において、長さの異なるカーボンナノチューブが２種類以上の繊維材料に浸出し、そしてこれら繊維材料は複合材料中に不均一に分布する。例えば、長さの異なるカーボンナノチューブが浸出した繊維材料は、複合材料の異なる部分に分布する。このような実施形態において、長さの異なる繊維材料は、それらが分布する複合材料の部分を別々に強化する。限定しない例として、耐衝撃性を向上させるのに十分な長さのカーボンナノチューブは、繊維材料に浸出して複合材料の表面近傍に分布し、電気伝導性のパーコレーション経路を確立するために十分な長さのカーボンナノチューブは、繊維材料に浸出して複合材料の別の領域に分布する。性質強化の他の組み合わせは、本開示を考慮すれば、当業者により想定可能である。カーボンナノチューブ浸出繊維材料が複合材料に均一に分布する場合のように、繊維材料の配置は、不均一分布の場合においても、ランダムであるか、配列されるか、あるいは、何らかの方法で配向されてもよい。 In embodiments that include a non-uniformly distributed carbon nanotube leached fiber material, the carbon nanotube leached fiber material is used to selectively impart enhanced properties only to certain portions of the composite material. As a non-limiting example, a composite material having carbon nanotube leached fiber material only in the vicinity of the surface can be used to enhance the heat transfer properties of the surface or to provide impact resistance to the surface. Used. In another embodiment, carbon nanotubes of different lengths are leached into two or more types of fiber materials, and these fiber materials are unevenly distributed in the composite material. For example, fiber materials leached with carbon nanotubes of different lengths are distributed in different parts of the composite material. In such embodiments, fiber materials of different lengths separately strengthen the portions of the composite material in which they are distributed. As a non-limiting example, carbon nanotubes that are long enough to improve impact resistance leached into the fiber material and distributed near the surface of the composite, sufficient to establish an electrically conductive percolation path. The length of carbon nanotubes leaches into the fiber material and distributes in different regions of the composite material. Other combinations of property enhancements can be envisioned by those skilled in the art in view of the present disclosure. The arrangement of the fiber material is random, aligned, or oriented in some way, even in the case of non-uniform distribution, as in the case where the carbon nanotube leached fiber material is uniformly distributed in the composite material. Also good.

ある実施形態において、複合材料には、複合材料には、金属マトリックス、第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料、及び第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料が含まれる。第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料、及び、第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料は、夫々、金属マトリックスのうち、第１領域及び第２領域に分布する。第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料におけるカーボンナノチューブの平均長さ、及び、第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料におけるカーボンナノチューブの平均長さは、金属マトリックスの第１領域と金属マトリックスの第２領域とが、機械的、電気的又は熱的性質を異にするように選択される。金属マトリックスは、少なくとも１つの金属を含む。 In certain embodiments, the composite material includes a metal matrix, a first carbon nanotube leached fiber material, and a second carbon nanotube leached fiber material. The first carbon nanotube leached fiber material and the second carbon nanotube leached fiber material are respectively distributed in the first region and the second region of the metal matrix. The average length of carbon nanotubes in the first carbon nanotube leached fiber material and the average length of carbon nanotubes in the second carbon nanotube leached fiber material are determined by the first region of the metal matrix and the second region of the metal matrix. , Selected to have different mechanical, electrical or thermal properties. The metal matrix includes at least one metal.

ある実施形態において、第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料と第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料とでは、繊維材料が同一である。例えば、ある実施形態において、第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料と第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料とでは、いずれも、炭素繊維であるか、又は、本明細書に記載される他のあらゆる繊維材料である。他の実施形態において、第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料と第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料とでは、繊維材料が異なる。ある実施形態において、第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料と第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料の少なくとも一方には、少なくともカーボンナノチューブ浸出繊維材料をオーバーコート（overcoat）する保護層も含まれる。このような保護層のさらなる詳細については、以下の本明細書においてより詳しく考察される。 In some embodiments, the first carbon nanotube leached fiber material and the second carbon nanotube leached fiber material are the same fiber material. For example, in certain embodiments, the first carbon nanotube leached fiber material and the second carbon nanotube leached fiber material are both carbon fibers or any other fiber material described herein. It is. In other embodiments, the first carbon nanotube leached fiber material is different from the second carbon nanotube leached fiber material. In certain embodiments, at least one of the first carbon nanotube leached fiber material and the second carbon nanotube leached fiber material also includes a protective layer that overcoats at least the carbon nanotube leached fiber material. Further details of such protective layers are discussed in more detail herein below.

本明細書に記載される複合材料を形成する上で、多種多様な金属マトリックスが用いられる。ある実施形態において、金属マトリックスには、少なくとも１つの金属（例えば、アルミニウム、マグネシウム、銅、コバルト、ニッケル、ジルコニウム、銀、金、チタン、及びこれらの混合物など）が含まれる。金属混合物のマトリックスは、金属合金であってよい。限定しない例として、例示的な金属合金はニッケル−コバルト合金である。他の実施形態において、少なくとも１つの金属を含有する混合物は、共晶物質であってよい。 A wide variety of metal matrices are used in forming the composite materials described herein. In certain embodiments, the metal matrix includes at least one metal, such as aluminum, magnesium, copper, cobalt, nickel, zirconium, silver, gold, titanium, and mixtures thereof. The matrix of the metal mixture may be a metal alloy. By way of non-limiting example, an exemplary metal alloy is a nickel-cobalt alloy. In other embodiments, the mixture containing at least one metal may be a eutectic material.

ある場合には、金属マトリックスはカーボンナノチューブ浸出繊維材料と反応する可能性がある。このような場合、金属マトリックスとカーボンナノチューブ浸出繊維材料との反応生成物は、複合材料に有害な影響を与える可能性がある。例えば、アルミニウムマトリックスについては、炭化アルミニウムが生じることがあるが、これは複合材料の機械的強度に有害な影響を及ぼし得る脆性材料である。金属マトリックスとカーボンナノチューブ浸出繊維材料との潜在的な反応性ゆえに、本明細書に記載される実施形態の中には、金属マトリックスとカーボンナノチューブ浸出繊維材料との親和性（compatibility）を向上させる少なくとも１つの添加剤を金属マトリックス中に含むものがある。ある実施形態において、親和性の改善により、金属マトリックスとカーボンナノチューブ浸出繊維材料との間の界面（interface）で反応生成物がもたらされる。金属マトリックスとカーボンナノチューブ浸出繊維材料との反応生成物とは異なり、少なくとも１つの添加剤と金属マトリックスとの反応生成物は、複合材料の性質を良好に向上させる。ある実施形態において、金属マトリックスと少なくとも１つの添加剤との反応生成物は、単に金属マトリックスとカーボンナノチューブ浸出繊維材料との間の物理的相互作用を向上させるだけである。他の実施形態において、金属マトリックスと少なくとも１つの添加剤との反応生成物は、金属マトリックスとカーボンナノチューブ浸出繊維材料との間で、結果的に共有結合を形成する。 In some cases, the metal matrix can react with the carbon nanotube leached fiber material. In such a case, the reaction product of the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material can have a deleterious effect on the composite material. For example, for an aluminum matrix, aluminum carbide may occur, which is a brittle material that can have a detrimental effect on the mechanical strength of the composite material. Due to the potential reactivity between the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material, some embodiments described herein at least improve the compatibility between the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material. Some contain one additive in the metal matrix. In certain embodiments, the improved affinity results in a reaction product at the interface between the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material. Unlike the reaction product of the metal matrix and carbon nanotube leached fiber material, the reaction product of at least one additive and the metal matrix improves the properties of the composite material well. In certain embodiments, the reaction product of the metal matrix and the at least one additive merely enhances the physical interaction between the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material. In other embodiments, the reaction product of the metal matrix and at least one additive results in the formation of a covalent bond between the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material.

ある実施形態において、少なくとも１つの添加剤は、カーボンナノチューブ浸出繊維材料のカーボンナノチューブと反応して、これにより、金属マトリックスとカーボンナノチューブ浸出繊維材料との界面において、炭化生成物（carbide product）を形成する。その炭化生成物は、金属マトリックスの少なくとも１つの添加剤を含有しない。アルミニウムについては、アルミニウムマトリックスに添加剤として少量のケイ素を含めば、アルミニウムマトリックスとカーボンナノチューブ浸出繊維材料との間の界面において炭化ケイ素を形成し、好ましくない炭化アルミニウムの形成を回避するのに十分である。ある実施形態において、炭化生成物は炭化ケイ素である。ある実施形態において、金属マトリックスはアルミニウムを含有し、また、少なくとも１つの添加剤はケイ素を含有する。金属マトリックスと添加剤との他の組み合わせは、当業者により想起可能であり、本実施形態は限定するものと考えられるべきではない。 In certain embodiments, the at least one additive reacts with the carbon nanotubes of the carbon nanotube leached fiber material, thereby forming a carbide product at the interface between the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material. To do. The carbonized product does not contain at least one additive of the metal matrix. For aluminum, including a small amount of silicon as an additive in the aluminum matrix is sufficient to form silicon carbide at the interface between the aluminum matrix and the carbon nanotube leached fiber material and avoid the formation of undesirable aluminum carbide. is there. In certain embodiments, the carbonized product is silicon carbide. In some embodiments, the metal matrix contains aluminum and the at least one additive contains silicon. Other combinations of metal matrix and additives can be devised by those skilled in the art and this embodiment should not be considered limiting.

金属マトリックスとカーボンナノチューブ浸出繊維材料との間の親和性の改善は、金属マトリックスへの少なくとも１つの添加剤の添加と組み合わせる、あるいは、添加剤の添加に代わる、他の手段により達成できる。例えば、ある実施形態において、本複合材料には、少なくともカーボンナノチューブ浸出繊維材料をオーバーコートする保護層も含まれる。また、ある実施形態において、保護層は、繊維材料に浸出したカーボンナノチューブもオーバーコートする。前述のように、複合材料を形成するために用いられる条件下では、繊維材料又はこれに浸出するカーボンナノチューブは、金属マトリックスと反応を起こす可能性がある。カーボンナノチューブ浸出繊維材料に保護層を組み込むことにより、繊維材料又はカーボンナノチューブの好ましくない反応を除去し、あるいは実質的に減少させる。このような保護層は，カーボンナノチューブ浸出繊維材料の反応を排除し、あるいは実質的に最小限に抑える点で、金属マトリックスに対する少なくとも１つの添加剤の添加と区別しやすい。対照的に、金属マトリックスの少なくとも１つの添加剤は、特に、このような反応を促進するために添加される。 Improved affinity between the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material can be achieved by other means combined with or in place of the addition of at least one additive to the metal matrix. For example, in certain embodiments, the composite material also includes a protective layer that overcoats at least the carbon nanotube-leached fiber material. In some embodiments, the protective layer also overcoats the carbon nanotubes leached into the fiber material. As mentioned above, under the conditions used to form the composite material, the fiber material or carbon nanotubes leached into it can react with the metal matrix. By incorporating a protective layer into the carbon nanotube leached fiber material, undesirable reactions of the fiber material or carbon nanotubes are eliminated or substantially reduced. Such a protective layer is distinguishable from the addition of at least one additive to the metal matrix in that it eliminates or substantially minimizes the reaction of the carbon nanotube leached fiber material. In contrast, at least one additive of the metal matrix is specifically added to promote such reactions.

様々な保護層及びその付着方法が、本明細書に記載されるカーボンナノチューブ浸出繊維材料のオーバーコートに適している。一般に、従来のバリアコーティングのあらゆるものも、カーボンナノチューブの不要な化学反応を防止する保護層として用いられる。従来のバリアコーティングには、前述のサイジング剤、又は、より一般的に、シリカ及びアルミナをベースにした繊維材料用コーティングが含まれる。ある実施形態において、例示的な保護層には、例えば、ニッケル及び二ホウ化チタンが含まれる。また、適合し得る別の保護層には、クロム、マグネシウム、チタン、銀及びスズが含まれる。ある実施形態において、保護層は、例えば、電気めっき又は化学蒸着などの技術により、カーボンナノチューブ浸出繊維材料上に付着する。例えば、保護層は、電気めっき技術により付着した、無電解ニッケル又はニッケル合金であってよい。ある実施形態において、保護層は約１ｎｍから約１０μｍの厚さを有する。 Various protective layers and their deposition methods are suitable for the overcoat of carbon nanotube leached fiber material as described herein. In general, any of the conventional barrier coatings are used as a protective layer to prevent unwanted chemical reactions of the carbon nanotubes. Conventional barrier coatings include the sizing agents described above, or more generally, coatings for fiber materials based on silica and alumina. In certain embodiments, exemplary protective layers include, for example, nickel and titanium diboride. Other protective layers that may be compatible also include chromium, magnesium, titanium, silver and tin. In certain embodiments, the protective layer is deposited on the carbon nanotube leached fiber material, for example, by techniques such as electroplating or chemical vapor deposition. For example, the protective layer may be electroless nickel or a nickel alloy deposited by electroplating techniques. In certain embodiments, the protective layer has a thickness of about 1 nm to about 10 μm.

カーボンナノチューブ浸出繊維材料は、複合材料の形成中、金属マトリックスと反応を起こす可能性があり、また、このような反応は、通常、不要であると考えられているが、ある実施形態では、このような反応を、複合材料の性質を有効に強化するために用いる。例えば、有害な反応生成物が生成されなければ、金属マトリックスとカーボンナノチューブ浸出繊維材料との間の反応が、これらの間で共有結合を形成し、両者間の相互作用を向上させることができる。 Carbon nanotube leached fiber materials can react with the metal matrix during composite formation, and such reactions are generally considered unnecessary, but in certain embodiments, Such a reaction is used to effectively enhance the properties of the composite material. For example, if no detrimental reaction product is generated, the reaction between the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material can form a covalent bond between them and improve the interaction between them.

ある実施形態において、カーボンナノチューブが繊維材料に浸出することは、例えば、水分、酸化、剥離（abrasion）又は圧縮から繊維材料を保護するサイジング剤としてなど、更なる目的にも適う。また、カーボンナノチューブをベースにしたサイジング剤は、複合材料において、繊維材料と金属マトリックスとの間の界面としての機能も果たす。このようなカーボンナノチューブをベースにしたサイジング剤は、従来のサイジング剤に代えて、又は従来のサイジング剤に加えて繊維材料に適用される。従来のサイジング剤は、種類及び機能が大きく異なり、例えば、界面活性剤、静電気防止剤、潤滑剤、シロキサン、アルコキシシラン、アミノシラン、シラン、シラノール、ポリビニルアルコール、でんぷん及びこれらの混合物を含む。このような従来のサイジング剤は、存在する場合、カーボンナノチューブ自体を保護し、あるいは、カーボンナノチューブ単独では与えられない、繊維材料に対するさらなる性質強化を提供する。ある実施形態において、従来のサイジング剤は、カーボンナノチューブの浸出前に繊維材料から除去してもよい。前述のように、繊維材料に浸出するカーボンナノチューブは、繊維材料に直接的に結合するか、あるいは触媒ナノ粒子又はバリアコーティング（これらは、ある実施形態において、従来のサイジング剤とすることができる）を通して間接的に結合する。 In certain embodiments, the leaching of the carbon nanotubes into the fiber material is also suitable for further purposes, such as, for example, as a sizing agent that protects the fiber material from moisture, oxidation, abrasion or compression. The sizing agent based on carbon nanotubes also functions as an interface between the fiber material and the metal matrix in the composite material. Such sizing agents based on carbon nanotubes are applied to fiber materials in place of or in addition to conventional sizing agents. Conventional sizing agents vary greatly in type and function, and include, for example, surfactants, antistatic agents, lubricants, siloxanes, alkoxysilanes, aminosilanes, silanes, silanols, polyvinyl alcohol, starch and mixtures thereof. Such conventional sizing agents, when present, protect the carbon nanotubes themselves, or provide additional property enhancements to the fiber material not provided by carbon nanotubes alone. In certain embodiments, conventional sizing agents may be removed from the fiber material prior to carbon nanotube leaching. As mentioned above, the carbon nanotubes leached into the fiber material are either directly bonded to the fiber material or are catalytic nanoparticles or barrier coatings (these can be conventional sizing agents in certain embodiments). Bind indirectly through.

カーボンナノチューブ浸出繊維材料の形成後、金属マトリックス及びカーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有する複合材料は、例えば、鋳造、スクイズ鋳造（squeeze casting）、ホットプレス（hot pressing）、溶融金属浸透法（liquid metal infiltration）、溶融紡糸（melt spinning）、溶射堆積（thermal spray deposition）、電気めっき（electrodeposition）、無電解析出（electroless deposition）、摩擦溶接（friction welding）、蒸着（vapor deposition）、スパッタリング、及び粉末冶金など、当業者に既知のあらゆる方法を用いても形成可能である。 After formation of the carbon nanotube leached fiber material, the composite material containing the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material can be, for example, cast, squeeze casting, hot pressing, liquid metal infiltration. ), Melt spinning, thermal spray deposition, electrodeposition, electroless deposition, friction welding, vapor deposition, sputtering, powder metallurgy, etc. It can also be formed using any method known to those skilled in the art.

当業者であれば、複合材料は、通常、約６０％の繊維材料と、約４０％のマトリックス材と、を用いることを認識できる。この比率は、例えば、浸出したカーボンナノチューブなど、第３の要素の導入に伴って、変更することができる。例えば、最大で約２５重量％のカーボンナノチューブを添加することで、繊維材料は約５重量％と約７５重量％との間で変動し、金属マトリックスは約２５重量％と約９５重量％との間で変動する。前述のように、カーボンナノチューブの担持量の百分率は、要求される種類の性質を強化するために変動し得る。カーボンナノチューブの担持量の百分率は、例えば、繊維材料に浸出するカーボンナノチューブの密度を変化させるか、繊維材料の量を変化させるか、又は、繊維材料に浸出するカーボンナノチューブの長さを変化させることにより変動可能である。 One skilled in the art will recognize that composite materials typically use about 60% fiber material and about 40% matrix material. This ratio can be changed with the introduction of the third element, for example, leached carbon nanotubes. For example, by adding up to about 25 wt% carbon nanotubes, the fiber material varies between about 5 wt% and about 75 wt%, and the metal matrix is between about 25 wt% and about 95 wt%. Fluctuate between. As mentioned above, the percentage of carbon nanotube loading can vary to enhance the type of properties required. The percentage of carbon nanotube loading can change, for example, the density of carbon nanotubes leached into the fiber material, the amount of fiber material, or the length of carbon nanotubes leached into the fiber material It can be changed by.

ある実施形態において、繊維材料のうちカーボンナノチューブの重量百分率は、カーボンナノチューブの平均長さにより決定される。ある実施形態又は他の実施形態において、繊維材料のうちカーボンナノチューブの重量百分率は、繊維材料に浸出するカーボンナノチューブの被覆密度（density of coverage）により更に決定される。例示的な実施形態において、約５重量％未満のカーボンナノチューブ担持量は機械的性質の強化に十分であるが、電気的及び熱的伝導性の強化のためには、カーボンナノチューブの担持量は、通常、約５重量％よりも大きいことが好ましい。ある実施形態において、本明細書に記載される複合材料は、最大で約１０重量％のカーボンナノチューブを含有する。ある実施形態において、複合材料のうち、カーボンナノチューブは、約０．１重量％から約１０重量％である。ある実施形態において、繊維材料は、最大で約４０重量％のカーボンナノチューブを含有する。ある実施形態において、カーボンナノチューブ浸出繊維材料のうち、カーボンナノチューブは、約０．５重量％から約４０重量％である。前述を考慮すると、本複合材料は、本明細書に示された開示の精神及び範囲内になお属しつつ、非常に様々な組成を有する。 In certain embodiments, the weight percentage of carbon nanotubes in the fiber material is determined by the average length of the carbon nanotubes. In certain or other embodiments, the weight percentage of carbon nanotubes in the fiber material is further determined by the density of coverage of the carbon nanotubes that leaches into the fiber material. In an exemplary embodiment, a carbon nanotube loading of less than about 5% by weight is sufficient to enhance mechanical properties, but for enhanced electrical and thermal conductivity, the loading of carbon nanotubes is Usually, it is preferably greater than about 5% by weight. In certain embodiments, the composite materials described herein contain up to about 10% by weight carbon nanotubes. In certain embodiments, of the composite material, carbon nanotubes are from about 0.1% to about 10% by weight. In certain embodiments, the fiber material contains up to about 40% by weight carbon nanotubes. In certain embodiments, of the carbon nanotube leached fiber material, carbon nanotubes are from about 0.5% to about 40% by weight. In view of the foregoing, the present composite materials have a wide variety of compositions while still falling within the spirit and scope of the disclosure provided herein.

用途に応じて、本複合材料は、連続繊維、短繊維（chopped fiber）又はこれらの組み合わせのいずれかの形態をした繊維材料を用いて形成される。ある実施形態において、繊維材料は短繊維の形態である。短繊維の場合、本明細書、及び同時係属中である出願人の特許出願に記載されるように、連続繊維にカーボンナノチューブを浸出させ、その後、当業者に既知の方法によりより小さなセグメント（segments）に切断される。ある実施形態において、連続繊維は、個々に、あるいは、本明細書で後述される織り繊維（woven fibers）又は不織繊維（non-woven fibers）のあらゆる配列のいずれかで、直接複合材料に分布する。ある実施形態において、繊維材料は、巻き取り可能な寸法を有する。 Depending on the application, the composite material is formed using fiber material in the form of either continuous fibers, chopped fibers, or combinations thereof. In certain embodiments, the fiber material is in the form of short fibers. In the case of short fibers, as described herein and in the co-pending applicant's patent application, continuous fibers are leached with carbon nanotubes and then smaller segments by methods known to those skilled in the art. ). In certain embodiments, the continuous fibers are distributed directly into the composite material either individually or in any arrangement of woven or non-woven fibers as described later herein. To do. In certain embodiments, the fiber material has a rollable dimension.

金属マトリックス及びカーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有する複合材料には潜在的な用途が多数ある。ある実施形態において、金属マトリックス及びカーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有する複合材料を含む製品が、本明細書に記載される。 There are many potential applications for composite materials containing metal matrices and carbon nanotube-leached fiber materials. In certain embodiments, a product comprising a composite material comprising a metal matrix and a carbon nanotube leached fiber material is described herein.

また、カーボンナノチューブの浸出した伝導性の炭素繊維は超伝導用電極の製造に用いられる。超伝導繊維の生成では、繊維材料と超伝導層の熱膨張係数を異にすることが少なくとも一部の原因となり、繊維材料に対する超伝導層の十分な接着性を実現することが困難となり得る。このような接着性は、カーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有する本複合材料を含む金属導体で実現可能である。当該技術分野における別の問題は、ＣＶＤプロセスによる繊維材料のコーティング中に発生する。例えば、反応ガス（例えば、水素ガス又はアンモニアなど）は、繊維表面を攻撃し、あるいは繊維表面上に有害な炭化水素化合物を形成して、超伝導層の良好な接着をより困難にする。カーボンナノチューブ浸出炭素繊維材料は、当該技術分野におけるこれらの課題を解消する。 Conductive carbon fibers from which carbon nanotubes are leached are used for the production of superconducting electrodes. In the production of superconducting fibers, the difference in thermal expansion coefficient between the fiber material and the superconducting layer is at least partially caused, and it may be difficult to achieve sufficient adhesion of the superconducting layer to the fiber material. Such adhesion can be achieved with a metal conductor comprising the present composite material containing a carbon nanotube leached fiber material. Another problem in the art occurs during the coating of fiber material by a CVD process. For example, a reactive gas (such as hydrogen gas or ammonia) attacks the fiber surface or forms harmful hydrocarbon compounds on the fiber surface, making good adhesion of the superconducting layer more difficult. Carbon nanotube leached carbon fiber materials overcome these challenges in the art.

前述のように、カーボンナノチューブ浸出繊維材料を有する複合材料は、カーボンナノチューブの存在に起因して、耐摩耗性の向上を示す。金属マトリックス及びカーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有する複合材料の存在が有効となり得る製品には、限定するものではないが、ブレーキローター、自動車のドライブシャフト、工具、ベアリング、航空機部品、並びに自転車のフレームが含まれる。 As described above, the composite material having the carbon nanotube leached fiber material exhibits improved wear resistance due to the presence of the carbon nanotube. Products that can benefit from the presence of a composite material containing a metal matrix and carbon nanotube leached fiber material include, but are not limited to, brake rotors, automotive drive shafts, tools, bearings, aircraft parts, and bicycle frames. included.

カーボンナノチューブの有効表面積が大きいことにより、本複合材料が、水のろ過用途や他の抽出プロセス（例えば、水からの有機油の分離など）に適したものとなる。また、カーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有する複合材料は、地下水面、水貯蔵施設、又は家庭若しくは職場用のインラインフィルタから有機毒を除去するためにも用いられる。 The large effective surface area of the carbon nanotubes makes the composite material suitable for water filtration applications and other extraction processes (eg, separation of organic oil from water). Composite materials containing carbon nanotube leached fiber materials are also used to remove organic poisons from underground water surfaces, water storage facilities, or home or workplace in-line filters.

油田技術において、本複合材料は、例えば、パイプベアリング、配管補強材及びゴム製Ｏリングなどの掘削装置の製造に有用である。また、前述したように、カーボンナノチューブの浸出した繊維は、地層から有益な石油埋蔵物を採取するために油田にも適用可能な抽出プロセスに用いられる。例えば、本複合材料は、大量の水又は砂が存在する地層から石油を抽出するために、又は、高沸点のため別の方法では分離が困難となる重油を抽出するために用いられる。例えば、有孔配管システムと併せて、有孔配管にオーバーコートされる本複合材料による前記重油のウィッキング（wicking）が、真空システム（vacuum system）などと動作可能に連動して、これにより、重油層又はオイルシェール層から高沸点留分を連続的に取り除くことが可能である。さらに、このようなプロセスは、当該技術分野において既知の従来の熱クラッキング法又は触媒クラッキング（catalyzed cracking）法と併せて、あるいは、これらに代えて用いられ得る。 In oil field technology, this composite material is useful, for example, in the manufacture of drilling equipment such as pipe bearings, piping reinforcements and rubber O-rings. Also, as mentioned above, carbon nanotube leached fibers are used in extraction processes that can also be applied to oil fields to extract beneficial oil reserves from the formation. For example, the composite material is used to extract petroleum from a formation in which a large amount of water or sand is present, or to extract heavy oil that is difficult to separate due to the high boiling point. For example, in conjunction with the perforated piping system, the wicking of the heavy oil by the composite material overcoated on the perforated piping is operatively linked to a vacuum system, etc. It is possible to continuously remove the high boiling fraction from the heavy oil layer or the oil shale layer. Further, such a process can be used in conjunction with or in place of conventional thermal cracking or catalytic cracking methods known in the art.

また、本複合材料は、航空宇宙用途及び飛行物体用途において構造的な構成要素を強化する。例えば、ミサイルのノーズコーン、航空機の翼端、主要航空構造部品（例えば、フラップ、エアロフォイル、プロペラ及びエアブレーキ、小型飛行機の胴体、ヘリコプターのシェル（shell）及びローターブレード）、補助的航空構造部品（例えば、フロアー、ドア、シート、空調装置及び補助タンク）並びに航空機の動力装置部品などの構造体にとって、カーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有した本複合材料により提供される構造的な強化は有益である。他の多くの用途において強化される構造体には、例えば、掃海艇の船体、ヘルメット、レードーム（radome）、ロケット・ノズル、担架及びエンジン構成部品が含まれる。建造物及び建築物において、外観上の特徴上、強化される構造体には、例えば、柱、ペディメント（pediments）、ドーム、コーニス（cornices）及び型枠（formwork）が含まれる。同様に、建造物内部の強化には、例えば、ブラインド、衛生陶器、窓枠などが含まれる。 The composite material also reinforces structural components in aerospace and flying object applications. Eg missile nose cones, aircraft wing tips, main aviation structural components (eg flaps, aerofoils, propellers and air brakes, small aircraft fuselage, helicopter shells and rotor blades), ancillary aviation structural components For structures such as floors, doors, seats, air conditioners and auxiliary tanks, and aircraft power unit parts, the structural reinforcement provided by the present composite material containing carbon nanotube leached fiber material is beneficial. . Structures that are reinforced in many other applications include, for example, minesweeper hulls, helmets, radomes, rocket nozzles, stretchers and engine components. In buildings and buildings, structural features that are reinforced in appearance include, for example, columns, pediments, domes, cornices, and formwork. Similarly, reinforcement within a building includes, for example, blinds, sanitary ware, window frames, and the like.

海洋産業において、強化される構造体には、ボートの船体、ストリンガー（stringer）、マスト、プロペラ、舵及び甲板が含まれる。また、本複合材料は、大規模運輸業において、例えば、トレーラー壁面の大型パネル、鉄道車両の床板、トラックの運転室、車体外部鋳造品（exterior body molding）、バスの車体、及び貨物コンテナにも用いられる。自動車用途において、複合材料は、内部部品（例えば、トリミング（trimming）、シート及び計器盤）、外部構造体（例えば、車体パネル、開口部、車体底面部、並びに、フロント及びリアモジュール）、並びに、エンジンルーム及び燃料機械エリアの部品（例えば、アクスル及びサスペンション、燃料及び排気システム、並びに、電気的及び電子的な構成部品）に用いられる。 In the marine industry, structures to be strengthened include boat hulls, stringers, masts, propellers, rudders and decks. This composite material is also used in large-scale transportation, for example, for large panels on trailer walls, railcar floors, truck cabs, exterior body molding, bus bodies, and cargo containers. Used. In automotive applications, composite materials include internal components (e.g., trimming, seats and instrument panels), external structures (e.g., body panels, openings, body bottoms, and front and rear modules), and Used in engine room and fuel machine area components (eg, axles and suspensions, fuel and exhaust systems, and electrical and electronic components).

本複合材料の他の用途には、橋梁構造物、強化コンクリート製品（例えば、ダウエルバー、鉄筋、ポストテンション（post-tension）及びプレストレス（pre-stress）テンドン）、定置の骨組み（stay-in-place framework）、電力送電及び配電構造体（例えば、電柱、送電塔及び腕金）、幹線道路の安全装置及び沿道機能（例えば、標識支柱、ガードレール、標柱及び支柱）、遮音壁、導管及び貯蔵タンクが含まれる。 Other uses for this composite include bridge structures, reinforced concrete products (eg, dowel bars, rebars, post-tension and pre-stress tendons), stay-in- place framework), power transmission and distribution structures (eg utility poles, transmission towers and braces), highway safety devices and roadside functions (eg signposts, guardrails, girder posts and posts), sound insulation walls, conduits and storage tanks included.

また、本複合材料は、例えば、水上及び雪上スキー、自転車、カヤック、カヌーとそのパドル、スノーボード、ゴルフクラブのシャフト、ゴルフ用手押しカート、釣竿並びにスイミングプールなどの様々なレジャー用具（equipment）にも用いられる。他の消費財及び事務機器には、例えば、歯車、鍋（housing）、ガス耐圧瓶、及び家庭用電化製品（例えば、洗濯機、皿洗い機ドラム、ドライヤー、ごみ処理機、空調装置及び加湿器）が含まれる。 The composite material is also used in various equipment such as water and snow skis, bicycles, kayaks, canoes and paddles, snowboards, golf club shafts, golf carts, fishing rods and swimming pools. Used. Other consumer goods and office equipment include, for example, gears, housing, gas pressure bottles, and household appliances (eg, washing machines, dishwasher drums, driers, waste disposal machines, air conditioners and humidifiers) Is included.

また、カーボンナノチューブ浸出繊維材料の電気的性質は、様々なエネルギー及び電気的用途にも影響を及ぼす。例えば、本複合材料は、風力タービンブレード、太陽光を利用する構造体（solar structures）、電子回路の筐体（例えば、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話及びコンピュータ・キャビネットであり、これらにおいて、浸出したカーボンナノチューブは、ＥＭＩ遮蔽に利用される）に用いられる。他の用途には、電力線、冷却機、照明用ポール、回路基板、配電盤、ラダーレール（ladder rails）、光ファイバー、データ回線やコンピュータ端子箱などの建造物に組み込まれた電源（power）、及び事務機器（例えば、コピー機、キャッシュレジスター及び郵便機器）が含まれる。 Also, the electrical properties of carbon nanotube leached fiber materials affect a variety of energy and electrical applications. For example, the composite material may be wind turbine blades, solar structures, electronic circuit enclosures (eg, notebook personal computers, cell phones and computer cabinets) Carbon nanotubes are used for EMI shielding). Other applications include power lines, coolers, lighting poles, circuit boards, switchboards, ladder rails, optical fibers, power built into structures such as data lines and computer terminal boxes, and office work Equipment (eg, copiers, cash registers and postal machines) is included.

他の様々な実施形態において、金属マトリックス及びカーボンナノチューブ浸出繊維材料を含有する複合材料を製造するための方法が本明細書に記載される。ある実施形態において、本方法には、カーボンナノチューブ浸出繊維材料を提供すること、及びカーボンナノチューブ浸出繊維材料を金属マトリックスに組み込むこと、が含まれる。 In various other embodiments, a method for producing a composite material comprising a metal matrix and a carbon nanotube leached fiber material is described herein. In certain embodiments, the method includes providing a carbon nanotube leached fiber material and incorporating the carbon nanotube leached fiber material into a metal matrix.

ある実施形態において、金属マトリックスに対するカーボンナノチューブ浸出繊維材料の組み込みは、例えば、鋳造、スクイズ鋳造、ホットプレス、溶融金属浸透法、溶融紡糸、溶射堆積、電気めっき、無電解析出、摩擦溶接、蒸着、スパッタリング、及び粉末冶金などの技術により行われる。本方法の様々な実施形態において、金属マトリックスは、これにカーボンナノチューブ浸出繊維材料が組み込まれるとき、液体状態である。ある実施形態において、本方法には、金属マトリックスにカーボンナノチューブ浸出繊維を組み込んだ後、金属マトリックスを固体化することが更に含まれる。 In certain embodiments, the incorporation of carbon nanotube leached fiber material into the metal matrix can include, for example, casting, squeeze casting, hot pressing, molten metal infiltration, melt spinning, spray deposition, electroplating, electroless deposition, friction welding, vapor deposition, It is performed by techniques such as sputtering and powder metallurgy. In various embodiments of the method, the metal matrix is in a liquid state when the carbon nanotube leached fiber material is incorporated therein. In certain embodiments, the method further includes solidifying the metal matrix after incorporating the carbon nanotube leached fibers into the metal matrix.

ある実施形態において、本方法の金属マトリックスは、例えば、アルミニウム、マグネシウム、銅、コバルト、ニッケル、及びこれらの混合物であってよい。ある実施形態において、金属マトリックスには、金属マトリックスとカーボンナノチューブ浸出繊維材料との親和性を向上する少なくとも１つの添加剤が更に含まれる。ある実施形態において、その少なくとも１つの添加剤は、カーボンナノチューブ浸出繊維材料のカーボンナノチューブと反応し、これにより、金属マトリックスとカーボンナノチューブ浸出繊維材料との界面に炭化生成物を形成する。前述のように、このような実施形態において、炭化生成物は、金属マトリックスの少なくとも１つの金属を含有しない。 In certain embodiments, the metal matrix of the method can be, for example, aluminum, magnesium, copper, cobalt, nickel, and mixtures thereof. In certain embodiments, the metal matrix further includes at least one additive that improves the affinity between the metal matrix and the carbon nanotube-leached fiber material. In certain embodiments, the at least one additive reacts with the carbon nanotubes of the carbon nanotube leached fiber material, thereby forming a carbonized product at the interface between the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material. As mentioned above, in such embodiments, the carbonized product does not contain at least one metal of the metal matrix.

ある実施形態において、本方法には、カーボンナノチューブ浸出繊維材料の少なくとも一部を保護層でオーバーコートすることが更に含まれる。ある実施形態において、保護層でカーボンナノチューブもオーバーコートされる。ある実施形態において、保護層は、例えば、電気めっき又は化学蒸着などの技術により付着する。例示的な保護層には、例えば、ニッケル、二ホウ化チタン、クロム、マグネシウム、チタン、銀及びスズが含まれる。通常、従来のバリアコーティングのいずれも（例えば、シリカ及びアルミナをベースにしたコーティングなどのサイジング剤を含めて）保護層として用いられる。 In certain embodiments, the method further includes overcoating at least a portion of the carbon nanotube leached fiber material with a protective layer. In some embodiments, carbon nanotubes are also overcoated with a protective layer. In certain embodiments, the protective layer is deposited by techniques such as electroplating or chemical vapor deposition. Exemplary protective layers include, for example, nickel, titanium diboride, chromium, magnesium, titanium, silver, and tin. Usually, any conventional barrier coating (including, for example, sizing agents such as silica and alumina based coatings) is used as a protective layer.

ある実施形態において、本方法には、複合材料を高密度化する（densify）ことが更に含まれる。例示的な高密度化の方法は当業者に既知であり、例えば、圧縮、焼結、及び電流活性化圧力（current-activated pressure）による高密度化が含まれる。高密度化は、本複合材料の装甲用途にとって、その耐衝撃性を向上させるために特に有益である。 In certain embodiments, the method further includes densifying the composite material. Exemplary densification methods are known to those skilled in the art and include, for example, compression, sintering, and densification by current-activated pressure. Densification is particularly beneficial for armor applications of the composite material to improve its impact resistance.

本方法のある実施形態において、カーボンナノチューブ浸出繊維材料は、金属マトリックス中に均一に分布する。他の実施形態において、カーボンナノチューブ浸出繊維材料は、金属マトリックス中において不均一に分布する。ある実施形態において、不均一な分布は、金属マトリックス中における勾配分布である。 In certain embodiments of the method, the carbon nanotube leached fiber material is uniformly distributed in the metal matrix. In other embodiments, the carbon nanotube leached fiber material is unevenly distributed in the metal matrix. In certain embodiments, the non-uniform distribution is a gradient distribution in the metal matrix.

ある実施形態において、カーボンナノチューブ浸出繊維材料には、第１の長さのカーボンナノチューブを有する第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料と、第２の長さのカーボンナノチューブを有する第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料と、が含まれる。第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料は、金属マトリックスの第１領域に組み込まれ、第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料は、金属マトリックスの第２領域に組み込まれる。前述のように、カーボンナノチューブ浸出繊維材料のこのような配列は、金属マトリックスの異なる領域に対して、構造的、電気的又は熱的に異なる性質を与えることができる。 In one embodiment, the carbon nanotube leached fiber material includes a first carbon nanotube leached fiber material having a first length of carbon nanotubes and a second carbon nanotube leached fiber having a second length of carbon nanotubes. And materials. The first carbon nanotube leached fiber material is incorporated into the first region of the metal matrix, and the second carbon nanotube leached fiber material is incorporated into the second region of the metal matrix. As mentioned above, such an array of carbon nanotube-infused fiber material can impart different structural, electrical or thermal properties to different regions of the metal matrix.

本方法のある実施形態において、繊維材料は短繊維である。他の実施形態において、繊維材料は連続繊維材料である。ある実施形態では、短繊維と連続繊維との混合物が本複合材料に用いられる。 In certain embodiments of the method, the fiber material is a short fiber. In other embodiments, the fiber material is a continuous fiber material. In some embodiments, a mixture of short fibers and continuous fibers is used in the composite material.

本明細書に開示された実施形態は、米国特許出願第１２／６１１，０７３号、第１２／６１１，１０１号及び第１２／６１１，１０３号（各出願はその全体が参照により本明細書に組み込まれる）に記載された方法で容易に作製されるカーボンナノチューブ浸出繊維材料を提供する。 The embodiments disclosed herein are described in US patent application Ser. Nos. 12 / 611,073, 12 / 611,101, and 12 / 611,103, each application incorporated herein by reference in its entirety. Carbon nanotube leached fiber material that is easily produced by the method described in the above.

繊維材料にカーボンナノチューブを浸出させるために、カーボンナノチューブは繊維材料上に直接合成される。これは、ある実施形態において、繊維材料上にカーボンナノチューブ形成触媒を最初に配置することで可能となる。この触媒付着の前に、いくつかの準備プロセスを行ってもよい。 In order to leach carbon nanotubes into the fiber material, the carbon nanotubes are synthesized directly on the fiber material. This is possible in some embodiments by first placing a carbon nanotube-forming catalyst on the fiber material. Several preparatory processes may be performed prior to this catalyst deposition.

ある実施形態において、繊維材料をプラズマで任意に処理して、触媒を受け入れる表面を準備できる。例えば、プラズマで処理されたガラス繊維材料により、カーボンナノチューブ形成触媒が付着する粗面化されたガラス繊維表面がもたらされる。また、ある実施形態において、プラズマは、繊維表面を「浄化」する機能をも果たす。このように繊維表面を「粗面化（roughing）」するためのプラズマプロセスは、触媒の付着を容易にする。粗度は、通常、ナノメートルのスケールである。プラズマ処理プロセスにおいて、深さ及び直径がナノメートル単位のクレーター（crater）又はくぼみが形成される。このような表面改質は、限定するものではないが、アルゴン、ヘリウム、酸素、アンモニア、窒素及び水素など、種々異なる１以上のあらゆるガスのプラズマを用いても達成される。 In certain embodiments, the fiber material can optionally be treated with a plasma to provide a surface for receiving the catalyst. For example, a plasma treated glass fiber material provides a roughened glass fiber surface to which a carbon nanotube-forming catalyst is deposited. In some embodiments, the plasma also serves to “clean” the fiber surface. The plasma process for “roughing” the fiber surface in this way facilitates catalyst deposition. Roughness is typically on the nanometer scale. In the plasma treatment process, craters or indentations with nanometer depth and diameter are formed. Such surface modification can also be achieved using plasmas of any one or more different gases such as, but not limited to, argon, helium, oxygen, ammonia, nitrogen and hydrogen.

ある実施形態において、使用される繊維材料が、これに付随するサイジング剤を有する場合、このようなサイジング剤を、触媒の付着前に任意除去してもよい。任意的には、サイジング剤を触媒付着後に除去することもできる。ある実施形態において、サイジング剤の除去は、カーボンナノチューブの合成中、又は予熱工程におけるカーボンナノチューブの合成の直前に行われる。他の実施形態において、サイジング剤の中には、カーボンナノチューブ合成プロセスの全体にわたって残存するものがある。 In certain embodiments, if the fiber material used has a sizing agent associated therewith, such sizing agent may optionally be removed prior to catalyst deposition. Optionally, the sizing agent can be removed after deposition of the catalyst. In certain embodiments, the removal of the sizing agent occurs during the synthesis of the carbon nanotubes or just prior to the synthesis of the carbon nanotubes in the preheating step. In other embodiments, some sizing agents remain throughout the carbon nanotube synthesis process.

カーボンナノチューブ形成触媒の付着前、又はこれと同時におけるさらにもう１つの工程として、繊維材料に対するバリアコーティングの適用がある。バリアコーティングは、繊細な繊維材料（例えば、炭素繊維、有機繊維、金属繊維など）の健全性を保護するために設けられる材料である。このようなバリアコーティングには、例えば、アルコキシシラン、アルモキサン、アルミナナノ粒子、スピンオンガラス（spin on glass）及びガラスナノ粒子が含まれる。一実施形態において、カーボンナノチューブ形成触媒は、未硬化のバリアコーティング材に加えられて、その後、共に繊維材料に適用されてもよい。他の実施形態において、バリアコーティング材は、カーボンナノチューブ形成触媒の付着前に繊維材料に加えられる。このような実施形態において、バリアコーティングは、触媒の付着前に部分的に硬化してよい。バリアコーティング材は、後続のＣＶＤ成長のための炭素原料にカーボンナノチューブ形成触媒をさらすことが可能な程度に十分薄い厚さである。ある実施形態において、バリアコーティングの厚さは、カーボンナノチューブ形成触媒の有効径未満か、それとほぼ等しい。カーボンナノチューブ形成触媒及びバリアコーティングが適切に配置された時点で、バリアコーティングを十分に硬化させることができる。ある実施形態において、バリアコーティングの厚さは、触媒位置へのカーボンナノチューブ原料ガスのアクセスがまだ可能である限り、カーボンナノチューブ形成触媒の有効径よりも大きくてよい。このようなバリアコーティングは、カーボンナノチューブ形成触媒に対する炭素原料ガスのアクセスを可能にする程度に十分多孔質であってよい。 Yet another step before or at the same time as the deposition of the carbon nanotube formation catalyst is the application of a barrier coating to the fiber material. A barrier coating is a material provided in order to protect the soundness of delicate fiber materials (for example, carbon fiber, organic fiber, metal fiber, etc.). Such barrier coatings include, for example, alkoxysilanes, alumoxanes, alumina nanoparticles, spin on glass, and glass nanoparticles. In one embodiment, the carbon nanotube formation catalyst may be added to the uncured barrier coating material and then applied together to the fiber material. In other embodiments, the barrier coating material is added to the fiber material prior to the deposition of the carbon nanotube formation catalyst. In such embodiments, the barrier coating may be partially cured prior to catalyst deposition. The barrier coating material is thin enough to allow the carbon nanotube-forming catalyst to be exposed to a carbon source for subsequent CVD growth. In certain embodiments, the thickness of the barrier coating is less than or approximately equal to the effective diameter of the carbon nanotube-forming catalyst. Once the carbon nanotube-forming catalyst and barrier coating are in place, the barrier coating can be fully cured. In certain embodiments, the thickness of the barrier coating may be greater than the effective diameter of the carbon nanotube-forming catalyst as long as the carbon nanotube source gas access to the catalyst location is still possible. Such a barrier coating may be sufficiently porous to allow access of the carbon source gas to the carbon nanotube formation catalyst.

理論に拘束されるものではないが、バリアコーティングは、繊維材料とカーボンナノチューブの中間層として機能し、また、繊維材料に対するカーボンナノチューブの機械的な浸出も支援する。このような機械的な浸出は、繊維材料がカーボンナノチューブを組織化するための基盤としてさらに機能する強固なシステムを提供し、そして、バリアコーティングを備えた機械的な浸出の利点は、本明細書で前述した間接型の結合と同様である。また、バリアコーティングを含むことの利点は、水分にさらされることに起因した化学的損傷、又は、カーボンナノチューブ成長を促進するために用いられる温度で繊維材料を加熱することに起因したあらゆる熱的損傷から、繊維材料を直接保護するという点にある。 Without being bound by theory, the barrier coating functions as an interlayer between the fiber material and the carbon nanotubes and also assists in the mechanical leaching of the carbon nanotubes into the fiber material. Such mechanical leaching provides a robust system where the fiber material further functions as a basis for organizing the carbon nanotubes, and the advantages of mechanical leaching with a barrier coating are described herein. This is the same as the indirect coupling described above. Also, the benefit of including a barrier coating is chemical damage due to exposure to moisture, or any thermal damage due to heating the fiber material at a temperature used to promote carbon nanotube growth. Therefore, the fiber material is directly protected.

更に後述するように、カーボンナノチューブ形成触媒は、遷移金属ナノ粒子としてのカーボンナノチューブ形成触媒を含有する液体溶液として作製される。合成されたカーボンナノチューブの直径は、前述のように、遷移金属ナノ粒子の大きさに関係する。 As will be described later, the carbon nanotube formation catalyst is prepared as a liquid solution containing the carbon nanotube formation catalyst as transition metal nanoparticles. The diameter of the synthesized carbon nanotube is related to the size of the transition metal nanoparticle as described above.

カーボンナノチューブの合成は、高温で生じる化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスに基づく。具体的な温度は触媒の選択に依存するが、通常は、約５００℃〜１０００℃の範囲である。したがって、カーボンナノチューブの合成には、前記範囲の温度まで繊維材料を加熱して、これによりカーボンナノチューブの成長を支援することが含まれる。 The synthesis of carbon nanotubes is based on a chemical vapor deposition (CVD) process that occurs at high temperatures. The specific temperature depends on the choice of catalyst, but is usually in the range of about 500 ° C to 1000 ° C. Therefore, the synthesis of carbon nanotubes includes heating the fiber material to a temperature in the above range, thereby supporting the growth of the carbon nanotubes.

そして、触媒を含んだ繊維材料上でＣＶＤにより促進されるカーボンナノチューブ成長が行われる。ＣＶＤプロセスは、例えば、炭素含有原料ガス（アセチレン、エチレン又はエタノールなど）により進められる。カーボンナノチューブ合成プロセスでは、主要なキャリアガスとして、一般に、不活性ガス（窒素、アルゴン又はヘリウム）が用いられる。炭素含有原料ガスは、通常、混合物全体の約０％から約１５％の範囲で供給される。ＣＶＤ成長のための略不活性環境は、成長チャンバーから水分及び酸素を除去して準備される。 Carbon nanotube growth promoted by CVD is performed on the fiber material containing the catalyst. The CVD process proceeds with, for example, a carbon-containing source gas (such as acetylene, ethylene, or ethanol). In the carbon nanotube synthesis process, an inert gas (nitrogen, argon or helium) is generally used as the main carrier gas. The carbon-containing source gas is usually supplied in the range of about 0% to about 15% of the entire mixture. A substantially inert environment for CVD growth is prepared by removing moisture and oxygen from the growth chamber.

カーボンナノチューブ合成プロセスにおいて、カーボンナノチューブは、カーボンナノチューブを成長させる働きをする遷移金属触媒ナノ粒子の位置で成長する。強プラズマ励起電界の存在を任意に用いて、カーボンナノチューブの成長に影響を与えることができる。すなわち、成長は、電界方向に従う傾向がある。プラズマ・スプレー及び電界の配置（geometry）を適切に調節することにより、垂直配列の（すなわち、繊維材料の長手軸に対して垂直な）カーボンナノチューブを合成できる。一定の条件下では、プラズマがない場合であっても、密集したカーボンナノチューブは成長方向を略垂直に維持して、結果として、カーペット（carpet）又はフォレスト（forest）に似た高密度配列のカーボンナノチューブになる。 In the carbon nanotube synthesis process, carbon nanotubes grow at the location of transition metal catalyst nanoparticles that serve to grow carbon nanotubes. The presence of a strong plasma excitation electric field can optionally be used to influence the growth of carbon nanotubes. That is, the growth tends to follow the electric field direction. By appropriately adjusting the plasma spray and electric field geometry, one can synthesize carbon nanotubes in a vertical array (ie perpendicular to the longitudinal axis of the fiber material). Under certain conditions, even in the absence of plasma, dense carbon nanotubes maintain the growth direction approximately vertical, resulting in a dense array of carbons resembling a carpet or forest. Become a nanotube.

繊維材料上に触媒ナノ粒子を配置する工程は、溶液のスプレー若しくは浸漬コーティングにより、又は、例えば、プラズマプロセスを介した気相蒸着により可能である。このように、ある実施形態では、溶媒に触媒を含んだ溶液を形成した後、その溶液で繊維材料をスプレー若しくは浸漬コーティングすることにより、又はスプレー及び浸漬コーティングの組み合わせにより、触媒が適用される。単独であるいは組み合わせて用いられるいずれか一方の手法は、１回、２回、３回、４回、あるいは何回でも使用され、これにより、カーボンナノチューブを形成する働きをする触媒ナノ粒子が十分均一にコーティングされた繊維材料を提供することができる。例えば、浸漬コーティングが使用される場合、繊維材料は、第１の浸漬槽において、第１の滞留時間、第１の浸漬槽内に置かれる。第２の浸漬槽を使用する場合、繊維材料は、第２の滞留時間、第２の浸漬槽内に置かれる。例えば、繊維材料は、浸漬の形態及びラインスピードに応じて約３秒〜約９０秒の間、カーボンナノチューブ形成触媒の溶液にさらされる。スプレー又は浸漬コーティングを用いることにより、繊維材料は、触媒の表面密度が約５％未満から約８０％もの表面被覆率で得られる。高表面密度（例えば、約８０％）では、カーボンナノチューブ形成触媒ナノ粒子はほぼ単分子層である。ある実施形態において、繊維材料上にカーボンナノチューブ形成触媒をコーティングするプロセスは単分子層だけを生成する。例えば、積み重ねたカーボンナノチューブ形成触媒上におけるカーボンナノチューブの成長は、カーボンナノチューブが繊維材料へ浸出する程度を低下させることがある。他の実施形態において、遷移金属触媒ナノ粒子は、蒸着技術、電解析出技術、及び当業者に既知の他のプロセス（例えば、遷移金属触媒を、有機金属、金属塩又は気相輸送を促進する他の組成物として、プラズマ原料ガスへ添加することなど）を用いて繊維材料上に付着する。 Placing the catalyst nanoparticles on the fibrous material can be by spraying or dip coating of the solution or by vapor deposition, for example via a plasma process. Thus, in some embodiments, the catalyst is applied by forming a solution containing the catalyst in a solvent and then spraying or dip coating the fiber material with the solution, or by a combination of spray and dip coating. Either method, used alone or in combination, is used once, twice, three times, four times, or any number of times, so that the catalyst nanoparticles that serve to form carbon nanotubes are sufficiently uniform A coated fiber material can be provided. For example, if dip coating is used, the fiber material is placed in the first dip bath in the first dip bath for a first residence time. When using a second immersion bath, the fiber material is placed in the second immersion bath for a second residence time. For example, the fiber material is exposed to the carbon nanotube-forming catalyst solution for about 3 seconds to about 90 seconds, depending on the form of immersion and the line speed. By using spray or dip coating, the fiber material is obtained with a surface coverage of the catalyst of less than about 5% to as high as about 80%. At high surface density (eg, about 80%), the carbon nanotube-forming catalyst nanoparticles are nearly monolayers. In certain embodiments, the process of coating the carbon nanotube-forming catalyst on the fiber material produces only a monolayer. For example, the growth of carbon nanotubes on stacked carbon nanotube formation catalysts may reduce the extent to which carbon nanotubes leach into the fiber material. In other embodiments, the transition metal catalyst nanoparticles facilitate vapor deposition techniques, electrolytic deposition techniques, and other processes known to those skilled in the art (eg, transition metal catalysts, organometallics, metal salts, or vapor transport). As another composition, it is added to the fiber material using, for example, addition to the plasma source gas.

カーボンナノチューブ浸出繊維を製造するためのプロセスは連続的に設計されるため、巻き取り可能な繊維材料は、一連の槽で浸漬コーティングを施すことが可能である（この場合、浸漬コーティング槽は空間的に分離されている）。例えば、炉から新たに形成されたガラス繊維など、発生期の繊維が新たに生成されている連続プロセスにおいて、カーボンナノチューブ形成触媒の浸漬又はスプレーは、新たに形成された繊維材料を十分に冷却した後の第１段階となり得る。ある実施形態において、新たに形成されたガラス繊維の冷却は、カーボンナノチューブ形成触媒粒子を分散させた冷却水の噴流で実施される。 Since the process for producing carbon nanotube leached fibers is designed continuously, the rollable fiber material can be dip coated in a series of baths (in this case the dip coating bath is spatial Separated). In a continuous process in which nascent fibers are newly produced, for example, newly formed glass fibers from a furnace, the immersion or spraying of the carbon nanotube-forming catalyst sufficiently cooled the newly formed fiber material. It can be the first stage later. In an embodiment, the newly formed glass fiber is cooled by a jet of cooling water in which carbon nanotube-forming catalyst particles are dispersed.

ある実施形態では、連続プロセスにおいて、繊維を生成してこれにカーボンナノチューブを浸出させる場合に、サイジング剤の適用に代えてカーボンナノチューブ形成触媒の適用が行われる。他の実施形態において、カーボンナノチューブ形成触媒は、他のサイジング剤の存在下で新たに形成された繊維材料に適用される。このようなカーボンナノチューブ形成触媒及び他のサイジング剤の同時適用は、繊維材料と表面接触するカーボンナノチューブ形成触媒を供給してカーボンナノチューブの浸出を確実にすることができる。またさらなる実施形態において、繊維材料が、例えば、焼きなまし温度近傍又はそれ未満の十分に軟化した状態にある間、カーボンナノチューブ形成触媒をスプレー又は浸漬コーティングにより発生期の繊維に適用し、これにより、カーボンナノチューブ形成触媒が繊維材料の表面に僅かに埋め込まれる。例えば、高温のガラス繊維材料上にカーボンナノチューブ形成触媒を付着する場合、ナノ粒子が溶融して結果的にカーボンナノチューブの特性（例えば、直径）が制御不能とならないように、カーボンナノチューブ形成触媒の融点を超えないように配慮する必要がある。 In certain embodiments, in the continuous process, when a fiber is produced and carbon nanotubes are leached into it, a carbon nanotube formation catalyst is applied instead of a sizing agent. In other embodiments, the carbon nanotube forming catalyst is applied to newly formed fiber material in the presence of other sizing agents. The simultaneous application of such a carbon nanotube formation catalyst and other sizing agents can provide a carbon nanotube formation catalyst in surface contact with the fiber material to ensure leaching of the carbon nanotubes. In still further embodiments, the carbon nanotube-forming catalyst is applied to the nascent fiber by spraying or dip coating while the fiber material is in a sufficiently softened state, for example, near or below the annealing temperature, whereby carbon Nanotube forming catalyst is slightly embedded in the surface of the fiber material. For example, when a carbon nanotube-forming catalyst is deposited on a high-temperature glass fiber material, the melting point of the carbon nanotube-forming catalyst prevents the nanoparticles from melting and resulting in uncontrollable carbon nanotube properties (eg, diameter). It is necessary to consider not to exceed.

カーボンナノチューブ形成触媒溶液は、あらゆるｄブロック遷移金属の遷移金属ナノ粒子溶液であってよい。また、ナノ粒子には、元素形態及び塩形態のｄブロック金属からなる合金や非合金の混合物、並びにこれらの混合物が含まれる。このような塩形態には、限定するものではないが、酸化物、炭化物、窒化物、酢酸塩、硝酸塩などが含まれる。限定しない例示的な遷移金属ナノ粒子には、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ及びＡｇと、これらの塩と、これらの混合物と、が含まれる。ある実施形態において、このようなカーボンナノチューブ形成触媒は、カーボンナノチューブ形成触媒を直接繊維材料に適用あるいは浸出させることにより、繊維材料上に配置される。多くのナノ粒子遷移金属触媒が、例えば、Ferrotec Corporation（Beford, NH）などの様々なサプライヤーから市販されており容易に入手できる。 The carbon nanotube formation catalyst solution may be a transition metal nanoparticle solution of any d-block transition metal. Nanoparticles include alloys and non-alloy mixtures of d-block metals in elemental form and salt form, and mixtures thereof. Such salt forms include, but are not limited to, oxides, carbides, nitrides, acetates, nitrates, and the like. Non-limiting exemplary transition metal nanoparticles include, for example, Ni, Fe, Co, Mo, Cu, Pt, Au, and Ag, their salts, and mixtures thereof. In certain embodiments, such carbon nanotube formation catalysts are placed on the fiber material by applying or leaching the carbon nanotube formation catalyst directly to the fiber material. Many nanoparticulate transition metal catalysts are commercially available from various suppliers such as, for example, Ferrotec Corporation (Beford, NH).

繊維材料にカーボンナノチューブ形成触媒を適用するために用いられる触媒溶液は、カーボンナノチューブ形成触媒が全域にわたって均一に分散可能ないかなる共通溶媒でもよい。このような溶媒には、限定するものではないが、水、アセトン、ヘキサン、イソプロピルアルコール、トルエン、エタノール、メタノール、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、シクロヘキサン、又はカーボンナノチューブ形成触媒ナノ粒子の適切な分散系を形成するために極性が制御された他のいかなる溶媒も含まれる。触媒溶液中におけるカーボンナノチューブ形成触媒の濃度は、触媒対溶媒で、およそ１：１から１：１００００の範囲内である。 The catalyst solution used to apply the carbon nanotube-forming catalyst to the fiber material may be any common solvent in which the carbon nanotube-forming catalyst can be uniformly dispersed over the entire area. Such solvents include, but are not limited to, forming a suitable dispersion of water, acetone, hexane, isopropyl alcohol, toluene, ethanol, methanol, tetrahydrofuran (THF), cyclohexane, or carbon nanotube-forming catalyst nanoparticles. Any other solvent of controlled polarity is included. The concentration of the carbon nanotube-forming catalyst in the catalyst solution is in the range of approximately 1: 1 to 1: 10000, catalyst to solvent.

ある実施形態において、繊維材料にカーボンナノチューブ形成触媒を適用した後、繊維材料は軟化温度まで任意に加熱される。この工程は、繊維材料の表面にカーボンナノチューブ形成触媒を埋め込むのに役立ち、これにより、種結晶成長（seeded growth）を促して、成長するカーボンナノチューブの先端に触媒が浮き上がる（float）先端成長を阻止することが可能である。実施形態の中には、繊維材料上にカーボンナノチューブ形成触媒を付着した後、繊維材料が約５００℃から約１０００℃までの温度で加熱されるものがある。カーボンナノチューブの成長のために用いられるこのような温度への加熱は、繊維材料上の既存のサイジング剤を除去する役割を果たして、繊維材料上にカーボンナノチューブ形成触媒を直接付着させることを可能にする。また、ある実施形態では、カーボンナノチューブ形成触媒は、加熱前に、サイジング剤のコーティング表面上に置かれてもよい。加熱工程は、カーボンナノチューブ形成触媒を繊維材料表面上に配置したままにしながら、サイジング剤を除去するために用いられる。この温度での加熱は、カーボンナノチューブ成長のための炭素原料ガスの導入前に、又はこれと略同時に行われる。 In certain embodiments, after applying the carbon nanotube-forming catalyst to the fiber material, the fiber material is optionally heated to a softening temperature. This process helps to embed the carbon nanotube formation catalyst on the surface of the fiber material, thereby promoting seeded growth and preventing the catalyst from floating at the tip of the growing carbon nanotube. Is possible. In some embodiments, after depositing the carbon nanotube-forming catalyst on the fiber material, the fiber material is heated at a temperature from about 500 ° C to about 1000 ° C. Heating to such temperatures used for the growth of carbon nanotubes serves to remove the existing sizing agent on the fiber material, allowing the carbon nanotube formation catalyst to be deposited directly on the fiber material. . In some embodiments, the carbon nanotube formation catalyst may also be placed on the sizing agent coating surface prior to heating. The heating step is used to remove the sizing agent while leaving the carbon nanotube forming catalyst on the fiber material surface. Heating at this temperature is performed before or substantially simultaneously with the introduction of the carbon source gas for carbon nanotube growth.

ある実施形態において、カーボンナノチューブを繊維材料に浸出させるプロセスには、繊維材料からサイジング剤を除去すること、サイジング剤除去後にカーボンナノチューブ形成触媒を繊維材料に適用すること、繊維材料を少なくとも５００℃まで加熱すること、及び、繊維材料上にカーボンナノチューブを合成することが含まれる。ある実施形態において、カーボンナノチューブ浸出プロセスの工程には、繊維材料からサイジング剤を除去すること、繊維材料に対してカーボンナノチューブ形成触媒を適用すること、カーボンナノチューブの合成温度まで繊維を加熱すること、及び、触媒を含有する繊維材料上へ炭素プラズマをスプレーすること、が含まれる。このように、工業用のガラス繊維材料が使用される場合、カーボンナノチューブ浸出繊維を構成するためのプロセスには、繊維材料上に触媒を配置する前に、繊維材料からサイジング剤を除去する個別の工程が含まれる。工業用サイジング剤の中には、これが存在する場合、カーボンナノチューブ形成触媒と繊維材料との面接触を防止して、繊維材料に対するカーボンナノチューブの浸出を抑制できるものがある。ある実施形態において、カーボンナノチューブの合成条件下でサイジング剤を確実に除去する場合には、サイジング剤の除去は、カーボンナノチューブ形成触媒付着後であって炭素含有原料ガスの供給直前又は供給中に行われる。 In certain embodiments, the process of leaching the carbon nanotubes into the fiber material includes removing the sizing agent from the fiber material, applying a carbon nanotube-forming catalyst to the fiber material after removing the sizing agent, and bringing the fiber material to at least 500 ° C. Heating and synthesizing carbon nanotubes on the fiber material are included. In certain embodiments, the steps of the carbon nanotube leaching process include removing a sizing agent from the fiber material, applying a carbon nanotube formation catalyst to the fiber material, heating the fiber to the synthesis temperature of the carbon nanotubes, And spraying a carbon plasma onto the fiber material containing the catalyst. Thus, when industrial glass fiber materials are used, the process for constructing carbon nanotube leached fibers includes a separate sizing agent removal from the fiber material prior to placing the catalyst on the fiber material. A process is included. Some industrial sizing agents, when present, can prevent surface contact between the carbon nanotube-forming catalyst and the fiber material and suppress leaching of the carbon nanotubes into the fiber material. In an embodiment, when the sizing agent is surely removed under the carbon nanotube synthesis conditions, the sizing agent is removed immediately after the carbon nanotube-forming catalyst is deposited and before or during the supply of the carbon-containing source gas. Is called.

カーボンナノチューブを合成する工程には、限定するものではないが、マイクロキャビティ（micro-cavity）、熱又はプラズマ助長ＣＶＤ法、レーザー・アブレーション、アーク放電、高圧一酸化炭素法（ＨｉＰＣＯ）など、カーボンナノチューブを形成するための多数の手法が含まれる。ＣＶＤ中、特に、サイジングされた繊維材料が、これにカーボンナノチューブ形成触媒を配置した状態で直接用いられる。ある実施形態において、従来のいかなるサイジング剤もカーボンナノチューブの合成中に除去可能である。ある実施形態において、他のサイジング剤は除去されないが、サイジング剤を介した炭素原料の拡散のため、繊維材料へのカーボンナノチューブの合成及び浸出を妨害することはない。ある実施形態において、アセチレンガスはイオン化されて、カーボンナノチューブ合成のための低温炭素プラズマジェットを形成する。プラズマは触媒を有する繊維材料に向けられる。このように、ある実施形態では、繊維材料上におけるカーボンナノチューブの合成には、（ａ）炭素プラズマを形成すること、及び（ｂ）繊維材料上に配置された触媒に炭素プラズマを向けること、が含まれる。成長するカーボンナノチューブの直径は、カーボンナノチューブ形成触媒の大きさにより決定される。ある実施形態において、サイジングされた繊維材料は約５５０℃〜約８００℃に加熱され、カーボンナノチューブの合成を容易にする。カーボンナノチューブの成長を開始させるために、反応器（reactor）には２つ以上のガス、すなわち、不活性キャリアガス（例えば、アルゴン、ヘリウム又は窒素）及び炭素含有原料ガス（例えば、アセチレン、エチレン、エタノール又はメタン）が流される。カーボンナノチューブは、カーボンナノチューブ形成触媒の位置で成長する。 The process for synthesizing carbon nanotubes is not limited, but includes carbon cavities such as micro-cavity, thermal or plasma enhanced CVD, laser ablation, arc discharge, high pressure carbon monoxide (HiPCO), etc. Numerous techniques for forming the are included. During CVD, in particular, the sized fiber material is used directly with a carbon nanotube-forming catalyst disposed on it. In certain embodiments, any conventional sizing agent can be removed during carbon nanotube synthesis. In some embodiments, other sizing agents are not removed, but the diffusion of the carbon source through the sizing agent does not interfere with the synthesis and leaching of the carbon nanotubes into the fiber material. In certain embodiments, the acetylene gas is ionized to form a low temperature carbon plasma jet for carbon nanotube synthesis. The plasma is directed to the fiber material with the catalyst. Thus, in certain embodiments, the synthesis of carbon nanotubes on a fiber material includes (a) forming a carbon plasma and (b) directing the carbon plasma to a catalyst disposed on the fiber material. included. The diameter of the growing carbon nanotube is determined by the size of the carbon nanotube formation catalyst. In certain embodiments, the sized fiber material is heated to about 550 ° C. to about 800 ° C. to facilitate the synthesis of carbon nanotubes. To initiate the growth of the carbon nanotubes, the reactor has two or more gases: an inert carrier gas (eg, argon, helium or nitrogen) and a carbon-containing source gas (eg, acetylene, ethylene, Ethanol or methane). Carbon nanotubes grow at the location of the carbon nanotube-forming catalyst.

ある実施形態において、ＣＶＤ成長はプラズマで助長される。プラズマは、成長プロセス中に電界を与えることにより生成される。この条件下で成長するカーボンナノチューブは電界方向に従う。したがって、反応器の配置を調節することにより、垂直配向のカーボン・ナノチューブが、円筒状の繊維の周囲から放射状に成長する。ある実施形態では、繊維の周囲に放射状に成長させるために、プラズマは必要とされない。明確な面を有する繊維材料（例えば、テープ、マット、織物、パイルなど）に関して、カーボンナノチューブ形成触媒は、繊維材料の一面又は両面に配置可能である。これに対応して、このような条件下、カーボンナノチューブもまた、繊維材料の一面又は両面で成長する。 In certain embodiments, CVD growth is facilitated by a plasma. The plasma is generated by applying an electric field during the growth process. Carbon nanotubes grown under these conditions follow the electric field direction. Therefore, by adjusting the arrangement of the reactors, vertically aligned carbon nanotubes grow radially from the periphery of the cylindrical fibers. In some embodiments, no plasma is required to grow radially around the fiber. For fiber materials having a well-defined surface (eg, tape, mat, fabric, pile, etc.), the carbon nanotube-forming catalyst can be placed on one or both sides of the fiber material. Correspondingly, under such conditions, carbon nanotubes also grow on one or both sides of the fiber material.

前述のように、カーボンナノチューブ合成は、巻き取り可能な繊維材料にカーボンナノチューブを浸出させる連続プロセスを提供するのに十分な速度で行われる。以下に例示されるように、このような連続的な合成は、多くの装置構成により容易になる。 As mentioned above, carbon nanotube synthesis is performed at a rate sufficient to provide a continuous process for leaching carbon nanotubes into a rollable fiber material. As illustrated below, such continuous synthesis is facilitated by many device configurations.

ある実施形態において、カーボンナノチューブ浸出繊維材料は、「オール・プラズマ（all plasma）」プロセスで作製される。このような実施形態では、繊維材料は、多くのプラズマ介在工程を通って、最終的なカーボンナノチューブ浸出繊維材料を形成する。プラズマプロセスの第１には、繊維表面の改質工程が含まれる。これは、前述のように、繊維材料の表面を「粗面化（roughing）」して触媒の配置を容易にするためのプラズマプロセスである。また前述のように、表面改質は、限定するものではないが、アルゴン、ヘリウム、酸素、アンモニア、水素及び窒素などの種々異なる１以上のガスからなるプラズマを用いて実現できる。 In certain embodiments, the carbon nanotube leached fiber material is made in an “all plasma” process. In such embodiments, the fiber material passes through a number of plasma-mediated processes to form the final carbon nanotube leached fiber material. The first of the plasma processes includes a fiber surface modification step. This is a plasma process for “roughing” the surface of the fiber material to facilitate catalyst placement, as described above. Further, as described above, the surface modification can be realized by using plasma composed of one or more different gases such as argon, helium, oxygen, ammonia, hydrogen and nitrogen, although not limited thereto.

表面改質後、繊維材料は触媒の適用へと進む。本願のオール・プラズマプロセスにおいて、この工程は、繊維材料上にカーボンナノチューブ形成触媒を配置するためのプラズマプロセスである。カーボンナノチューブ形成触媒は、前述のように、通常、遷移金属である。遷移金属触媒は、例えば、磁性流体、有機金属、金属塩、これらの混合物、又は気相輸送の促進に適した他のあらゆる組成物など、限定しない形態の前駆体としてプラズマ原料ガスに添加され得る。カーボンナノチューブ形成触媒は、真空及び不活性雰囲気のいずれも必要とはせず、周囲環境の室温で適用可能である。ある実施形態において、繊維材料は触媒の適用前に冷却される。 After surface modification, the fiber material proceeds to the application of the catalyst. In the all-plasma process of the present application, this step is a plasma process for disposing a carbon nanotube formation catalyst on a fiber material. As described above, the carbon nanotube formation catalyst is usually a transition metal. The transition metal catalyst may be added to the plasma source gas as a precursor in a non-limiting form, such as, for example, a ferrofluid, an organic metal, a metal salt, a mixture thereof, or any other composition suitable for promoting vapor transport. . The carbon nanotube formation catalyst does not require either a vacuum or an inert atmosphere, and can be applied at room temperature in the surrounding environment. In certain embodiments, the fiber material is cooled prior to application of the catalyst.

オール・プラズマプロセスを継続すると、カーボンナノチューブの合成がカーボンナノチューブ成長反応器で起こる。カーボンナノチューブの成長は、炭素プラズマが触媒を含む繊維にスプレーされるプラズマ助長化学蒸着を用いて実現される。カーボンナノチューブの成長は高温（触媒にもよるが、通常は約５００℃〜約１０００℃の範囲）で起こるので、触媒を含む繊維は炭素プラズマにさらされる前に加熱される。カーボンナノチューブ浸出プロセスのために、繊維材料は、軟化が始まるまで任意に加熱されてもよい。加熱後、繊維材料は炭素プラズマを受けられる状態になっている。炭素プラズマは、例えば、炭素を含む原料ガス（例えば、アセチレン、エチレン、エタノールなど）を、ガスのイオン化が可能な電界中に通すことにより生成される。この低温炭素プラズマは、スプレーノズルにより繊維材料に向けられる。繊維材料は、プラズマを受けるために、例えば、スプレーノズルから約１センチメートル以内など、スプレーノズルにごく近接している。ある実施形態において、加熱器は、繊維材料の上側のプラズマ・スプレーに配置され、これにより繊維材料を高温に維持する。 When the all-plasma process continues, carbon nanotube synthesis occurs in the carbon nanotube growth reactor. Carbon nanotube growth is achieved using plasma enhanced chemical vapor deposition in which carbon plasma is sprayed onto the fiber containing the catalyst. Since carbon nanotube growth occurs at high temperatures (depending on the catalyst, but usually in the range of about 500 ° C. to about 1000 ° C.), the fiber containing the catalyst is heated before exposure to the carbon plasma. For the carbon nanotube leaching process, the fiber material may optionally be heated until softening begins. After heating, the fiber material is ready for carbon plasma. The carbon plasma is generated, for example, by passing a source gas containing carbon (for example, acetylene, ethylene, ethanol, etc.) through an electric field capable of ionizing the gas. This low temperature carbon plasma is directed to the fiber material by a spray nozzle. The fiber material is in close proximity to the spray nozzle, for example, within about 1 centimeter from the spray nozzle, to receive the plasma. In certain embodiments, the heater is placed in the plasma spray above the fiber material, thereby maintaining the fiber material at an elevated temperature.

連続的なカーボンナノチューブ合成の別の構成には、カーボンナノチューブを繊維材料上に直接合成・成長させるための専用の矩形反応器が含まれる。その反応器は、カーボンナノチューブ浸出繊維材料を生成するための連続的なインラインプロセス用に設計され得る。ある実施形態において、カーボンナノチューブは、ＣＶＤプロセスにより、大気圧、かつ、約５５０℃から約８００℃の範囲の高温で、マルチゾーン反応器（multi-zone reactor）内で成長する。カーボンナノチューブの合成が大気圧で起こるということは、繊維材料にカーボンナノチューブを浸出させるための連続処理ラインに反応器を組み込むことを容易にする一因である。このようなゾーン反応器を用いた連続的なインライン処理に合致する別の利点は、カーボンナノチューブの成長が数秒単位で発生するということであり、当該技術分野で標準的な他の手法及び装置構成における数分単位（又はもっと長い）とは対照的である。 Another configuration for continuous carbon nanotube synthesis includes a dedicated rectangular reactor for synthesizing and growing carbon nanotubes directly on fiber materials. The reactor can be designed for a continuous in-line process to produce carbon nanotube leached fiber material. In certain embodiments, the carbon nanotubes are grown in a multi-zone reactor by a CVD process at atmospheric pressure and at an elevated temperature in the range of about 550 ° C to about 800 ° C. The fact that carbon nanotube synthesis occurs at atmospheric pressure is one factor that facilitates the incorporation of the reactor into a continuous processing line for leaching carbon nanotubes into the fiber material. Another advantage consistent with continuous in-line processing using such a zone reactor is that carbon nanotube growth occurs in seconds and other techniques and equipment configurations standard in the art. Contrast with several minutes unit (or longer) in.

様々な実施形態によるカーボンナノチューブ合成反応器には、以下の特徴が含まれる。 Carbon nanotube synthesis reactors according to various embodiments include the following features.

（矩形に構成された合成反応器）
当該技術分野で既知の標準的なカーボンナノチューブ合成反応器は横断面が円形である。これには、例えば、歴史的理由（研究所では円筒状の反応器がよく用いられる）及び利便性（流体力学は円筒状の反応器にモデル化すると容易になり、また、加熱器システムは円管チューブ（石英など）に容易に対応する）、並びに製造の容易性などの多くの理由がある。本開示は、従来の円筒形状を変えて、矩形横断面を有するカーボンナノチューブ合成反応器を提供する。変更の理由は以下の通りである。 (Synthetic reactor configured in a rectangular shape)
Standard carbon nanotube synthesis reactors known in the art are circular in cross section. This can be accomplished, for example, for historical reasons (cylindrical reactors are often used in laboratories) and convenience (fluid dynamics can be modeled into cylindrical reactors, and the heater system is circular. There are a number of reasons, such as tube tubes (such as quartz), as well as ease of manufacture. The present disclosure provides a carbon nanotube synthesis reactor having a rectangular cross section by changing the conventional cylindrical shape. The reason for the change is as follows.

１）反応器により処理される多くの繊維材料は相対的に平面的である（例えば、形状が薄いテープやシート状、あるいは、開繊したトウ若しくはロービング（roving）など）ので、円形横断面では反応器の体積を十分に使用していない。この不十分な使用は、円筒状のカーボンナノチューブ合成反応器にとって、例えば、以下のａ）ないしｃ）に挙げるような、いくつかの欠点となる。ａ）十分なシステムパージの維持；反応器の体積が増大すれば、同レベルのガスパージを維持するためにガス流量の増大が必要になる。これは、開放環境におけるカーボンナノチューブの大量生産には不十分なシステムとなる。ｂ）炭素含有原料ガス流量の増大；前記ａ）のように、システムパージのための不活性ガス流を相対的に増大させると、炭素含有原料ガス流量を増大させる必要がある。例示的な１２Ｋのガラス繊維ロービングが、矩形横断面を有する合成反応器の全体積に対して２０００分の１の体積であることを考慮されたい。同等の円筒状反応器（すなわち、矩形横断面の反応器と同じ平坦化されたガラス繊維材料を収容できるだけの幅を有する円筒状の反応器）では、ガラス繊維材料の体積は、反応器の体積の１７，５００分の１である。ＣＶＤなどのガス蒸着プロセス（gas deposition processes）は、通常、圧力及び温度だけで制御されるが、体積は蒸着の効率に顕著な影響を与え得る。矩形反応器の場合、それでもなお過剰な体積が存在し、この過剰体積は無用の反応を促進する。しかしながら、円筒状反応器は、無用な反応の促進が可能なその体積が約８倍もある。このように競合する反応が発生する機会が増加することにより、所望の反応が有効に生じるには、円筒状反応器では一層遅くなってしまう。このようなカーボンナノチューブ成長の速度低下は連続的な成長プロセスの進行にとって問題となる。矩形反応器構成の別の利点は、矩形チャンバーの高さを更に低くすることで反応器の体積が低減され、これにより体積比が改善され反応が更に効率的になるという点である。本明細書に開示される実施形態の中には、矩形合成反応器の全体積が、合成反応器を通過中の繊維材料の全体積に対して僅か約３０００倍にしかすぎないものがある。更なる実施形態の中には、矩形合成反応器の全体積が、合成反応器を通過中の繊維材料の全体積に対して僅か約４０００倍にしかすぎないものもある。また更なる実施形態の中には、矩形合成反応器の全体積が、合成反応器を通過中の繊維材料の全体積に対して約１０，０００倍未満のものがある。加えて、円筒状反応器を使用した場合、矩形横断面を有する反応器と比較すると、同じ流量比を提供するためには、より大量の炭素含有原料ガスが必要である点に注目されたい。当然のことながら、他の実施形態の中には、矩形ではないがこれに類似し、かつ、円形横断面を有する反応器に対して、反応器の体積を同様に低減する多角形状で表される横断面を有する合成反応器がある。ｃ）問題のある温度分布；相対的に小径の反応器を用いた場合、チャンバー中心からその壁面までの温度勾配はごく僅かである。しかし、例えば、工業規模の生産に用いられるなど、サイズの増大に伴い、このような温度勾配は増加する。温度勾配は、繊維材料の全域で製品品質がばらつく（すなわち、製品品質が半径位置に応じて変化する）原因となる。この問題は、矩形横断面を有する反応器を用いた場合に殆ど回避される。特に、平面的な基材が用いられる場合、基材のサイズが大きくなったときに、反応器の高さを一定に維持することができる。反応器の頂部と底部間の温度勾配は基本的にごく僅かであり、結果的に、生じる熱的な問題や製品品質のばらつきは回避される。 1) Many fiber materials processed by the reactor are relatively planar (eg thin tapes or sheets, or opened tows or rovings), so in a circular cross section Not enough reactor volume is used. This inadequate use presents several disadvantages for cylindrical carbon nanotube synthesis reactors, such as those listed below in a) to c). a) Sufficient system purge maintenance; as the reactor volume increases, the gas flow rate needs to be increased to maintain the same level of gas purge. This is an insufficient system for mass production of carbon nanotubes in an open environment. b) Increasing the flow rate of carbon-containing source gas; As in a) above, if the inert gas flow for system purge is relatively increased, it is necessary to increase the flow rate of carbon-containing source gas. Consider that an exemplary 12K glass fiber roving has a volume of 1/2000 of the total volume of a synthesis reactor having a rectangular cross section. In an equivalent cylindrical reactor (ie, a cylindrical reactor having a width sufficient to accommodate the same flattened glass fiber material as a rectangular cross-section reactor), the volume of glass fiber material is the volume of the reactor. 1 / 17,500. Gas deposition processes such as CVD are usually controlled only by pressure and temperature, but volume can significantly affect the efficiency of deposition. In the case of a rectangular reactor, there is still an excess volume, which promotes useless reactions. However, the cylindrical reactor has about 8 times its volume capable of promoting unnecessary reactions. The increased chance of competing reactions in this way is even slower in a cylindrical reactor for the desired reaction to occur effectively. Such a decrease in carbon nanotube growth rate is a problem for the progress of a continuous growth process. Another advantage of the rectangular reactor configuration is that lowering the height of the rectangular chamber reduces the volume of the reactor, thereby improving the volume ratio and making the reaction more efficient. In some embodiments disclosed herein, the total volume of the rectangular synthesis reactor is only about 3000 times the total volume of fiber material passing through the synthesis reactor. In some further embodiments, the total volume of the rectangular synthesis reactor is only about 4000 times the total volume of fiber material passing through the synthesis reactor. In still further embodiments, the total volume of the rectangular synthesis reactor is less than about 10,000 times the total volume of fiber material passing through the synthesis reactor. In addition, it should be noted that when a cylindrical reactor is used, a larger amount of carbon-containing feed gas is required to provide the same flow ratio compared to a reactor having a rectangular cross section. Of course, in other embodiments, a non-rectangular, similar, and represented by polygonal shape that similarly reduces the volume of the reactor relative to a reactor having a circular cross-section. There are synthesis reactors having a cross section. c) problematic temperature distribution; when a relatively small diameter reactor is used, the temperature gradient from the chamber center to its wall is negligible. However, such temperature gradients increase with increasing size, for example used in industrial scale production. The temperature gradient causes the product quality to vary across the fiber material (ie, the product quality varies with radial position). This problem is almost avoided when using a reactor having a rectangular cross section. In particular, when a planar substrate is used, the height of the reactor can be kept constant as the substrate size increases. The temperature gradient between the top and bottom of the reactor is essentially negligible, resulting in avoiding the thermal problems and product quality variations that result.

２）ガス導入：当該技術分野では、通常、管状炉が使用されているので、一般的なカーボンナノチューブ合成反応器は、ガスを一端に導入し、それを反応器に通して他端から引き出している。本明細書に開示された実施形態の中には、ガスが、反応器の両側面又は反応器の頂面及び底面のいずれかを通して対称的に、反応器の中心又は対象とする成長ゾーン内に導入されるものがある。これにより、流入する原料ガスがシステムの最も高温の部分（カーボンナノチューブの成長が最も活発な場所）に連続的に補充されるので、全体的なカーボンナノチューブ成長速度が向上する。 2) Gas introduction: Since a tubular furnace is usually used in the technical field, a general carbon nanotube synthesis reactor introduces gas into one end, passes it through the reactor, and draws it out from the other end. Yes. In some of the embodiments disclosed herein, the gas is symmetrically through either the sides of the reactor or the top and bottom surfaces of the reactor, into the center of the reactor or the growth zone of interest. Some are introduced. As a result, the inflowing source gas is continuously replenished to the hottest part of the system (where the carbon nanotube growth is most active), thereby improving the overall carbon nanotube growth rate.

（ゾーン分け）
比較的低温のパージゾーンを提供するチャンバーは、矩形合成反応器の両端から延びる。出願人は、仮に高温ガスが外部環境（すなわち、反応器の外部）と接触（mix）すると、繊維材料の劣化（degradation）が増加することを究明した。低温パージゾーンは、内部システムと外部環境間の緩衝となる。当該技術分野で既知のカーボンナノチューブ合成反応器の構成では、通常、基材を慎重に（かつ緩やかに）冷却することが求められる。本願の矩形カーボンナノチューブ成長反応器の出口における低温パージゾーンは、連続的なインライン処理に必要とされるような短時間の冷却を実現する。 (Zoning)
A chamber that provides a relatively cool purge zone extends from both ends of the rectangular synthesis reactor. Applicants have determined that the degradation of the fiber material increases if the hot gas mixes with the external environment (ie, outside the reactor). The cold purge zone provides a buffer between the internal system and the external environment. Carbon nanotube synthesis reactor configurations known in the art typically require careful (and gradual) cooling of the substrate. The low temperature purge zone at the outlet of the rectangular carbon nanotube growth reactor of the present application provides a short cooling time as required for continuous in-line processing.

（非接触、ホットウォール型、金属製反応器）
ある実施形態において、金属製ホットウォール型（hot-walled）反応器（例えば、ステンレス鋼）が用いられる。この種類の反応器の使用は、金属、特にステンレス鋼が炭素の付着（すなわち、すす及び副生成物の形成）を受けやすいために、常識に反するようにも考えられる。したがって、大部分のカーボンナノチューブ合成反応器は、炭素の付着が殆どないため、また、石英は洗浄しやすく試料の観察を容易にするため、石英製である。しかしながら、出願人は、ステンレス鋼上におけるすす及び炭素付着物が増加することにより、より着実、より効率的、より高速、かつ、より安定的なカーボンナノチューブ成長がもたらされること、を見つけた。理論に拘束されるものではないが、大気圧運転（atmospheric operation）と連動して、反応器内で起こるＣＶＤプロセスでは拡散が制限されることが示されている。すなわち、カーボンナノチューブ形成触媒に「過度に供給される（overfed）」、つまり、過量の炭素が、（反応器が不完全真空下で運転している場合よりも）その相対的に高い分圧により反応器システム内で得られる。結果として、開放システム（特に清浄な（clean）もの）では、過量の炭素がカーボンナノチューブ形成触媒の粒子に付着して、カーボンナノチューブの合成能力を低下させる。ある実施形態において、反応器に「汚れが付いて（dirty）」いる、すなわち、金属反応器壁にすすが付着している状態の場合に、矩形反応器を意図的に運転する。炭素が反応器壁上の単分子層に付着すると、炭素は、それ自体を覆って付着しやすくなる。得られる炭素の中には、この機構により「回収される（withdrawn）」ものがあるので、ラジカルの形で残っている炭素原料が、カーボンナノチューブ形成触媒を被毒させない速度でこの触媒と反応する。既存のシステムでは「清浄に（cleanly）」運転するが、連続処理のために開放状態であれば、減速した成長速度で、はるかに低い収率でしかカーボンナノチューブを生産できない。 (Non-contact, hot wall type, metal reactor)
In some embodiments, a metal hot-walled reactor (eg, stainless steel) is used. The use of this type of reactor is also considered counter-common because metals, particularly stainless steel, are susceptible to carbon deposition (ie, soot and by-product formation). Therefore, most carbon nanotube synthesis reactors are made of quartz because there is almost no adhesion of carbon, and quartz is easy to clean and facilitates observation of the sample. However, Applicants have found that increasing soot and carbon deposits on stainless steel result in a more steady, more efficient, faster and more stable carbon nanotube growth. Without being bound by theory, it has been shown that diffusion is limited in the CVD process occurring in the reactor in conjunction with atmospheric operation. That is, the carbon nanotube-forming catalyst is “overfed”, that is, the excess carbon is due to its relatively high partial pressure (than when the reactor is operating under incomplete vacuum). Obtained in the reactor system. As a result, in open systems (especially clean), excessive amounts of carbon will adhere to the carbon nanotube-forming catalyst particles, reducing the ability to synthesize carbon nanotubes. In one embodiment, the rectangular reactor is intentionally operated when the reactor is “dirty”, that is, when soot is attached to the metal reactor wall. As carbon adheres to the monolayer on the reactor wall, the carbon tends to adhere over itself. Some of the resulting carbon is “withdrawn” by this mechanism, so the carbon material remaining in the form of radicals reacts with this catalyst at a rate that does not poison the carbon nanotube-forming catalyst. . Existing systems operate “cleanly”, but if open for continuous processing, carbon nanotubes can be produced at a much lower yield at a slow growth rate.

カーボンナノチューブの合成を、前述のように「汚れが付いて」いる状態で実施するのは概して有益であるが、それでも、装置のある部分（例えば、ガスマニフォールド及びガス入口）は、すすが閉塞状態を引き起こした場合、カーボンナノチューブの成長プロセスに悪影響を与える。この問題に対処するために、カーボンナノチューブ成長反応チャンバーの当該部分を、例えば、シリカ、アルミナ又はＭｇＯなどのすす抑制コーティングで保護してもよい。実際には、装置のこれらの部分は、すす抑制コーティングで浸漬コーティングが施される。ＩＮＶＡＲ（商標名）は高温におけるコーティングの適切な接着性を確実にする同様のＣＴＥ（熱膨張係数）を有し、重要なゾーンにおけるすすの著しい堆積を防止するので、ＩＮＶＡＲ（商標名）などの金属が、これらのコーティングに用いられる。 While it is generally beneficial to perform carbon nanotube synthesis in the “dirty” state as described above, some parts of the device (eg, the gas manifold and gas inlet) are still sooted and occluded. Cause adverse effects on the carbon nanotube growth process. In order to address this problem, that part of the carbon nanotube growth reaction chamber may be protected with a soot-inhibiting coating such as, for example, silica, alumina or MgO. In practice, these parts of the device are dip coated with a soot inhibiting coating. INVAR (TM) has a similar CTE (Coefficient of Thermal Expansion) that ensures proper adhesion of the coating at high temperatures and prevents significant soot deposition in critical zones, such as INVAR (TM) Metal is used for these coatings.

（触媒還元及びカーボンナノチューブ合成の組み合わせ）
本明細書に開示されたカーボンナノチューブ合成反応器において、触媒還元及びカーボンナノチューブ成長のいずれもが反応器内で起こる。還元工程が個別の工程として実施されると、連続プロセスに用いるものとして十分タイムリーに行えなくなるため、このことは重要である。当該技術分野において既知の標準的なプロセスにおいて、還元工程の実施には、通常１〜１２時間かかる。本開示によれば、両工程は１つの反応器内で生じるが、これは、少なくとも１つには、炭素含有原料ガスを導入するのが、円筒状反応器を用いる当該技術分野では標準的となっている反応器の端部ではなく、中心部であることに起因する。還元プロセスは、繊維が加熱ゾーンに入ったときに行われる。この時点に至るまでに、ガスには、触媒を（水素ラジカルの相互作用を介して）還元する前に反応器壁と反応して冷える時間があるということである。還元が起こるのは、この移行領域である。システム内で最も高温の等温ゾーンでカーボンナノチューブの成長は起こり、反応器の中心近傍におけるガス入口の近位で最速の成長速度が生じる。 (Combination of catalytic reduction and carbon nanotube synthesis)
In the carbon nanotube synthesis reactor disclosed herein, both catalytic reduction and carbon nanotube growth occur in the reactor. This is important because if the reduction step is implemented as a separate step, it will not be timely enough for use in a continuous process. In standard processes known in the art, performing the reduction step usually takes 1 to 12 hours. According to the present disclosure, both steps occur in one reactor, which is standard in the art using cylindrical reactors, at least one of which is introducing a carbon-containing source gas. This is due to the central part, not the end of the reactor. The reduction process takes place when the fiber enters the heating zone. By this point, the gas has time to react with the reactor walls and cool before reducing the catalyst (via hydrogen radical interaction). It is this transition region where reduction occurs. Carbon nanotube growth occurs in the hottest isothermal zone in the system, with the fastest growth rate proximate the gas inlet near the center of the reactor.

ある実施形態において、例えば、トウ又はロービングなど（例えば、ガラスロービングのように）、緩くまとまった（loosely affiliated）繊維材料が使用される場合、連続プロセスには、トウ又はロービングのストランド（strand）又はフィラメントを広げる工程が含まれる。このように、トウ又はロービングは、アンスプールされる（unspooled）ときに、例えば、真空ベースの開繊システム（vacuum-based fiber spreading system）を用いて開繊される（spread）。例えば、サイジングされて比較的堅いガラス繊維ロービングを使用する場合、ロービングを「軟化」して繊維の開繊を容易にするために、更なる加熱を用いることができる。個々のフィラメントを含んで構成される開繊繊維（spread fiber）は、フィラメントの全表面積をさらせるよう十分分離して開繊され、こうして後続の処理工程でロービングがより効率的に反応できるようにする。例えば、開繊トウ又は開繊ロービングは、前述のようにプラズマシステムで構成される表面処理工程を経る。その後、粗面化された開繊繊維はカーボンナノチューブ形成触媒の浸漬槽を通過する。その結果、表面で放射状に分布した触媒粒子を有するガラスロービングの繊維となる。触媒を含んだロービングの繊維は、その後、前述のように、例えば、矩形チャンバーなどの適切なカーボンナノチューブ成長チャンバーに入るが、ここでは、大気圧ＣＶＤ又はプラズマ助長ＣＶＤプロセスを通る流れを用いて、毎秒数ミクロンの速度でカーボンナノチューブを合成する。ロービングの繊維は、こうして放射状に配列されたカーボンナノチューブを備えて、カーボンナノチューブ成長反応器を出る。 In certain embodiments, if a loosely affiliated fiber material is used, such as, for example, tow or roving (eg, glass roving), the continuous process may include a tow or roving strand or A step of spreading the filament is included. Thus, when tow or roving is unspooled, it is spread using, for example, a vacuum-based fiber spreading system. For example, when using sized and relatively stiff glass fiber rovings, additional heating can be used to “soften” the roving to facilitate fiber opening. Spread fibers composed of individual filaments are spread apart enough to reduce the total surface area of the filaments, so that roving can react more efficiently in subsequent processing steps. To do. For example, the opening tow or the opening roving is subjected to a surface treatment process constituted by a plasma system as described above. Thereafter, the roughened spread fiber passes through the immersion tank of the carbon nanotube formation catalyst. The result is a glass roving fiber with catalyst particles distributed radially on the surface. The roving fibers containing the catalyst then enter a suitable carbon nanotube growth chamber, such as a rectangular chamber, as described above, where the flow through an atmospheric pressure CVD or plasma enhanced CVD process is used, Synthesize carbon nanotubes at a rate of a few microns per second. The roving fibers thus comprise the radially arranged carbon nanotubes and exit the carbon nanotube growth reactor.

当然のことながら、本発明の様々な実施形態の働きに実質的に影響を与えない変更も、本明細書で提供された本発明の定義内に含まれる。したがって、以下の実施例は、本発明を例示するものであって限定するものではない。 Of course, modifications that do not substantially affect the operation of the various embodiments of the invention are also included within the definition of the invention provided herein. Accordingly, the following examples are intended to illustrate but not limit the present invention.

（減少した熱膨張係数を有するアルミニウム金属マトリックス複合材料の形成）
アルミニウ金属マトリックス複合材料は、カーボンナノチューブ浸出炭素繊維の溶融金属圧力浸透により作製された。炭素繊維は、グラフィル社（カリフォルニア州サクラメント）の３４−７００、１２ｋフィラメントであり、これには前述の連続浸出プロセスにより作製された平均長さ５５μｍのカーボンナノチューブを浸出させた。金属マトリックス複合材料は、型が底部に置かれた加熱浸透容器（heated infiltration vessel）を含む圧力封止されたチャンバー内で作製された。カーボンナノチューブ浸出炭素繊維は、型の底部に一方向配列で置かれ、これにより試験タイル（test tiles）を作製した。アルミニウム原料は型内のカーボンナノチューブ浸出繊維材料の上部に配置された。アルミニウム原料は、Ａｌ₁₂Ｓｉ₂ＦｅＣｕ_0.5Ｎｉ_0.5Ｚｎ_0.35Ｍｎの組成を有するアルミニウム合金Ａ４１３であった。チャンバーに真空が適用されるとともに、浸透容器が６７５℃まで加熱され、これにより、カーボンナノチューブ浸出炭素繊維の上でアルミニウム合金を溶融させた。アルミニウム合金が溶融した状態で、窒素ガスによる１５００ｐｓｉの圧力を用いてカーボンナノチューブ浸出炭素繊維にアルミニウム合金を浸透させ、これにより、６．７５インチ×３．０インチ×０．５５インチの試験タイルを形成した。得られたカーボンナノチューブ浸出炭素繊維材料含有アルミニウム合金複合材料について、３５〜１００℃の平均熱膨張係数は、厚さ方向で１８．６４ｐｐｍ／℃であり、また面内で７．５７ｐｐｍ／℃であった。図４は、カーボンナノチューブ浸出繊維材料含有アルミニウム合金複合材料の例示的なＳＥＭ画像を示す。前述のように、本方法を変更して、アルミニウム金属マトリックスにケイ素を含めることにより、カーボンナノチューブ浸出繊維材料と金属マトリックスとの間の界面において炭化ケイ素を形成し、これにより炭素とアルミニウムとの間の好ましくない相互作用を防止することができる。 (Formation of aluminum metal matrix composites with reduced coefficient of thermal expansion)
Arminium metal matrix composites were made by molten metal pressure infiltration of carbon nanotube leached carbon fibers. The carbon fiber was a 34-700, 12k filament from Grafel (Sacramento, Calif.), Which was leached with carbon nanotubes having an average length of 55 μm made by the continuous leaching process described above. The metal matrix composite was made in a pressure sealed chamber containing a heated infiltration vessel with the mold placed on the bottom. Carbon nanotubes leached carbon fibers were placed in a unidirectional array at the bottom of the mold, thereby creating test tiles. The aluminum source was placed on top of the carbon nanotube leached fiber material in the mold. The aluminum raw material was an aluminum alloy A413 having a composition of Al ₁₂ Si ₂ FeCu _0.5 Ni _0.5 Zn _0.35 Mn. A vacuum was applied to the chamber and the infiltration vessel was heated to 675 ° C., thereby melting the aluminum alloy on the carbon nanotubes leached carbon fibers. With the aluminum alloy melted, the carbon nanotube leached carbon fiber was infiltrated into the carbon nanotube using 1500 psi pressure with nitrogen gas, which resulted in a 6.75 inch x 3.0 inch x 0.55 inch test tile. Formed. The obtained carbon nanotube-extruded carbon fiber material-containing aluminum alloy composite material had an average coefficient of thermal expansion of 35 to 100 ° C. of 18.64 ppm / ° C. in the thickness direction and 7.57 ppm / ° C. in the plane. It was. FIG. 4 shows an exemplary SEM image of an aluminum alloy composite containing carbon nanotubes leached fiber material. As described above, the method is modified to include silicon in the aluminum metal matrix to form silicon carbide at the interface between the carbon nanotube leached fiber material and the metal matrix, thereby reducing the gap between carbon and aluminum. Unfavorable interactions can be prevented.

本発明は開示された実施形態を参照して説明されたが、当業者であれば、これらが本発明の例示にすぎないことを容易に認識するであろう。当然のことながら、本発明の精神から逸脱することなく、様々な変形例を考え出すことが可能である。 Although the present invention has been described with reference to the disclosed embodiments, those skilled in the art will readily recognize that these are merely examples of the present invention. Naturally, various modifications can be devised without departing from the spirit of the invention.

Claims

少なくとも１つの金属を含んで構成される金属マトリックスと、
カーボンナノチューブが浸出した繊維材料であるカーボンナノチューブ浸出繊維材料と、
を含んで構成される複合材料。 A metal matrix comprising at least one metal;
A carbon nanotube leached fiber material, which is a fiber material leached with carbon nanotubes, and
A composite material composed of.

前記金属マトリックスは、アルミニウム、マグネシウム、銅、コバルト、ニッケル、ジルコニウム、銀、金、チタン、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１つの金属を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The metal matrix includes at least one metal selected from the group consisting of aluminum, magnesium, copper, cobalt, nickel, zirconium, silver, gold, titanium, and mixtures thereof. Item 4. The composite material according to Item 1.

前記金属マトリックスは、前記金属マトリックスと前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料との親和性を向上させる少なくとも１つの添加剤を更に含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the metal matrix further includes at least one additive that improves the affinity between the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material.

前記少なくとも１つの添加剤は、前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料の前記カーボンナノチューブと反応し、これにより、前記金属マトリックスと前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料との界面に、前記金属マトリックスを構成する前記少なくとも１つの金属を含まない炭化生成物を形成することを特徴とする請求項３に記載の複合材料。 The at least one additive reacts with the carbon nanotubes of the carbon nanotube leached fiber material, thereby forming the metal matrix at the interface between the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material. 4. The composite material according to claim 3, wherein a carbonized product containing no metal is formed.

前記炭化生成物は炭化ケイ素であることを特徴とする請求項４に記載の複合材料。 The composite material according to claim 4, wherein the carbonized product is silicon carbide.

前記金属マトリックスはアルミニウムを含んで構成されるとともに、前記少なくとも１つの添加剤はケイ素を含んで構成されることを特徴とする請求項３に記載の複合材料。 The composite material according to claim 3, wherein the metal matrix includes aluminum and the at least one additive includes silicon.

前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料は、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維、有機繊維、炭化ケイ素繊維、炭化ホウ素繊維、窒化ケイ素繊維、酸化アルミニウム繊維、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１つの繊維種を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The carbon nanotube leached fiber material is selected from the group consisting of glass fibers, carbon fibers, metal fibers, ceramic fibers, organic fibers, silicon carbide fibers, boron carbide fibers, silicon nitride fibers, aluminum oxide fibers, and combinations thereof. The composite material according to claim 1, comprising at least one fiber type.

少なくとも前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料をオーバーコートする保護層を更に含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, further comprising a protective layer that overcoats at least the carbon nanotube leached fiber material.

前記保護層は、前記カーボンナノチューブもオーバーコートすることを特徴とする請求項８に記載の複合材料。 The composite material according to claim 8, wherein the protective layer also overcoats the carbon nanotubes.

前記保護層は、ニッケル、二ホウ化チタン、クロム、マグネシウム、チタン、銀、又はスズを含んで構成されることを特徴とする請求項８に記載の複合材料。 The composite material according to claim 8, wherein the protective layer includes nickel, titanium diboride, chromium, magnesium, titanium, silver, or tin.

前記繊維材料は、短繊維及び連続繊維からなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the fiber material is selected from the group consisting of short fibers and continuous fibers.

前記カーボンナノチューブは、前記複合材料の約０．１重量％から約１０重量％を占めることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The composite material of claim 1, wherein the carbon nanotubes comprise about 0.1 wt% to about 10 wt% of the composite material.

前記カーボンナノチューブは、前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料の約０．５重量％から約４０重量％を占めることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The composite material of claim 1, wherein the carbon nanotubes comprise about 0.5 wt% to about 40 wt% of the carbon nanotube leached fiber material.

前記繊維材料は、前記金属マトリックスに均一に分布することを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the fiber material is uniformly distributed in the metal matrix.

前記繊維材料は、前記金属マトリックスに不均一に分布することを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the fiber material is unevenly distributed in the metal matrix.

前記金属マトリックスに不均一に分布することは、前記金属マトリックスにおける勾配分布を含むことを特徴とする請求項１５に記載の複合材料。 16. The composite material of claim 15, wherein the non-uniform distribution in the metal matrix includes a gradient distribution in the metal matrix.

前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料を構成する前記カーボンナノチューブは、前記繊維材料の長手軸に対して略垂直であることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the carbon nanotubes constituting the carbon nanotube leached fiber material are substantially perpendicular to a longitudinal axis of the fiber material.

前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料を構成する前記カーボンナノチューブは、前記繊維材料の長手軸に対して略平行であることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the carbon nanotubes constituting the carbon nanotube leached fiber material are substantially parallel to a longitudinal axis of the fiber material.

前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料を構成する前記カーボンナノチューブの重量百分率は、前記カーボンナノチューブの平均長さにより決定されることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein a weight percentage of the carbon nanotubes constituting the carbon nanotube leached fiber material is determined by an average length of the carbon nanotubes.

前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料を構成する前記カーボンナノチューブの重量百分率は、前記繊維材料に浸出する前記カーボンナノチューブの被覆密度により更に決定されることを特徴とする請求項１９に記載の複合材料。 20. The composite material according to claim 19, wherein the weight percentage of the carbon nanotubes constituting the carbon nanotube leached fiber material is further determined by a coating density of the carbon nanotubes leached into the fiber material.

前記被覆密度は、１平方マイクロメートル当たり最大で約１５，０００のカーボンナノチューブに相当することを特徴とする請求項２０に記載の複合材料。 21. The composite material of claim 20, wherein the coating density corresponds to a maximum of about 15,000 carbon nanotubes per square micrometer.

前記カーボンナノチューブの平均長さは、約１μｍから約５００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein an average length of the carbon nanotube is about 1 μm to about 500 μm.

前記カーボンナノチューブの平均長さは、約１μｍから約１０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the average length of the carbon nanotubes is about 1 μm to about 10 μm.

前記カーボンナノチューブの平均長さは、約１０μｍから約１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein an average length of the carbon nanotube is about 10 μm to about 100 μm.

前記カーボンナノチューブの平均長さは、約１００μｍから約５００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein an average length of the carbon nanotube is about 100 μm to about 500 μm.

前記カーボンナノチューブの平均長さは、カーボンナノチューブがない複合材料に対して、前記複合材料の熱膨張係数を約４分の１以下まで減少させるのに十分な長さであることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The average length of the carbon nanotubes is sufficient to reduce the thermal expansion coefficient of the composite material to about a quarter or less of a composite material without carbon nanotubes. Item 4. The composite material according to Item 1.

前記カーボンナノチューブの平均長さは、カーボンナノチューブがない複合材料に対して、前記複合材料の剛性及び耐摩耗性を約３倍以上まで向上させるのに十分な長さであることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The average length of the carbon nanotube is sufficient to improve the rigidity and wear resistance of the composite material to about three times or more of the composite material without the carbon nanotube. Item 4. The composite material according to Item 1.

前記カーボンナノチューブの平均長さは、前記複合材料における電気的な又は熱的な伝導経路を確立するのに十分な長さであることを特徴とする請求項１に記載の複合材料。 The composite material according to claim 1, wherein the average length of the carbon nanotubes is a length sufficient to establish an electrical or thermal conduction path in the composite material.

少なくとも１つの金属を含んで構成される金属マトリックスと、
カーボンナノチューブが浸出した繊維材料であるカーボンナノチューブ浸出繊維材料であって、前記金属マトリックスの第１領域における第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料、及び前記金属マトリックスの第２領域における第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料と、
を含んで構成され、
前記第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料におけるカーボンナノチューブの平均長さ、及び前記第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料におけるカーボンナノチューブの平均長さは、前記金属マトリックスの第１領域と前記金属マトリックスの第２領域とが、機械的性質、電気的性質又は熱的性質を異にするように選択されることを特徴とする複合材料。 A metal matrix comprising at least one metal;
A carbon nanotube leached fiber material that is a fiber material leached with carbon nanotubes, the first carbon nanotube leached fiber material in the first region of the metal matrix, and the second carbon nanotube leaching in the second region of the metal matrix Fiber material,
Comprising
The average length of the carbon nanotubes in the first carbon nanotube leached fiber material and the average length of the carbon nanotubes in the second carbon nanotube leached fiber material are the first region of the metal matrix and the second length of the metal matrix. A composite material characterized in that the regions are selected to have different mechanical, electrical or thermal properties.

前記第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料、及び前記第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料は、同一の繊維材料を含んで構成されることを特徴とする請求項２９に記載の複合材料。 30. The composite material according to claim 29, wherein the first carbon nanotube leached fiber material and the second carbon nanotube leached fiber material include the same fiber material.

前記第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料、及び前記第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料は、異なる繊維材料を含んで構成されることを特徴とする請求項２９に記載の複合材料。 30. The composite material according to claim 29, wherein the first carbon nanotube leached fiber material and the second carbon nanotube leached fiber material are configured to include different fiber materials.

前記第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料と前記第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料との少なくとも１つは、少なくともカーボンナノチューブ浸出繊維材料をオーバーコートする保護層を更に含んで構成されることを特徴とする請求項２９に記載の複合材料。 At least one of the first carbon nanotube leached fiber material and at least one of the second carbon nanotube leached fiber material further includes a protective layer that overcoats at least the carbon nanotube leached fiber material. 30. A composite material according to claim 29.

前記金属マトリックスは、アルミニウム、マグネシウム、銅、コバルト、ニッケル、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１つの金属を含んで構成される請求項２９に記載の複合材料。 30. The composite material of claim 29, wherein the metal matrix comprises at least one metal selected from the group consisting of aluminum, magnesium, copper, cobalt, nickel, and mixtures thereof.

前金属マトリックスは、前記金属マトリックスと前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料との親和性を向上させる少なくとも１つの添加剤を更に含んで構成されることを特徴とする請求項２９に記載の複合材料。 30. The composite material according to claim 29, wherein the pre-metal matrix further comprises at least one additive that improves the affinity between the metal matrix and the carbon nanotube-infused fiber material.

前記少なくとも１つの添加剤は、前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料の前記カーボンナノチューブと反応し、これにより、前記金属マトリックスと前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料との界面に、前記金属マトリックスを構成する前記少なくとも１つの金属を含まない炭化生成物を形成することを特徴とする請求項３４に記載の複合材料。 The at least one additive reacts with the carbon nanotubes of the carbon nanotube leached fiber material, thereby forming the metal matrix at the interface between the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material. 35. The composite material of claim 34, wherein the composite material forms a metal free carbonized product.

カーボンナノチューブが浸出した繊維材料であるカーボンナノチューブ浸出繊維材料を提供すること、及び
前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料を少なくとも１つの金属を含んで構成される金属マトリックスに組み込むこと、
を含んで構成される方法。 Providing a carbon nanotube leached fiber material that is a fiber material leached with carbon nanotubes, and incorporating the carbon nanotube leached fiber material into a metal matrix comprising at least one metal;
Comprising a method.

前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料を前記金属マトリックスに組み込むことは、鋳造、スクイズ鋳造、溶融金属浸透法、溶融金属圧力浸透法、溶射堆積、及び粉末冶金からなる群より選択される少なくとも１つの技術を含んで構成されることを特徴とする請求項３６に記載の方法。 Incorporating the carbon nanotube leached fiber material into the metal matrix includes at least one technique selected from the group consisting of casting, squeeze casting, molten metal infiltration, molten metal pressure infiltration, thermal spray deposition, and powder metallurgy. The method of claim 36, comprising:

前記金属マトリックスは、アルミニウム、マグネシウム、銅、コバルト、ニッケル、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１つの金属を含んで構成されることを特徴とする請求項３６に記載の方法。 The method of claim 36, wherein the metal matrix comprises at least one metal selected from the group consisting of aluminum, magnesium, copper, cobalt, nickel, and mixtures thereof.

前記金属マトリックスは、前記金属マトリックスと前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料との親和性を向上させる少なくとも１つの添加剤を更に含んで構成される請求項３６に記載の方法。 37. The method of claim 36, wherein the metal matrix further comprises at least one additive that enhances the affinity between the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material.

前記少なくとも１つの添加剤は、前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料の前記カーボンナノチューブと反応し、これにより、前記金属マトリックスと前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料との界面に、前記金属マトリックスを構成する前記少なくとも１つの金属を含まない炭化生成物を形成することを特徴とする請求項３９に記載の方法。 The at least one additive reacts with the carbon nanotubes of the carbon nanotube leached fiber material, thereby forming the metal matrix at the interface between the metal matrix and the carbon nanotube leached fiber material. 40. The method of claim 39, wherein the method comprises forming a metal free carbonized product.

前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料の少なくとも一部を保護層でオーバーコートすることを更に含んで構成される請求項３６に記載の方法。 37. The method of claim 36, further comprising overcoating at least a portion of the carbon nanotube leached fiber material with a protective layer.

前記保護層は、電気めっき及び化学蒸着からなる群より選択される技術により付着することを特徴とする請求項４１に記載の方法。 42. The method of claim 41, wherein the protective layer is deposited by a technique selected from the group consisting of electroplating and chemical vapor deposition.

前記保護層は、ニッケル又は二ホウ化チタンを含んで構成されることを特徴とする請求項４１に記載の方法。 42. The method of claim 41, wherein the protective layer comprises nickel or titanium diboride.

前記複合材料を高密度化することを更に含んで構成される請求項３６に記載の方法。 40. The method of claim 36, further comprising densifying the composite material.

前記繊維材料は、前記金属マトリックスに均一に分布することを特徴とする請求項３６に記載の方法。 The method of claim 36, wherein the fibrous material is uniformly distributed in the metal matrix.

前記繊維材料は、前記金属マトリックスに不均一に分布することを特徴とする請求項３６に記載の方法。 The method of claim 36, wherein the fibrous material is unevenly distributed in the metal matrix.

前記金属マトリックスに不均一に分布することは、前記金属マトリックスにおける勾配分布を含むことを特徴とする請求項４６に記載の複合材料。 47. The composite material of claim 46, wherein the non-uniform distribution in the metal matrix includes a gradient distribution in the metal matrix.

前記カーボンナノチューブ浸出繊維材料は、第１の長さのカーボンナノチューブを含んで構成される第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料と、第２の長さのカーボンナノチューブを含んで構成される第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料と、を含んで構成され、前記第１のカーボンナノチューブ浸出繊維材料が前記金属マトリックスの第１領域に組み込まれるとともに、第２のカーボンナノチューブ浸出繊維材料が前記金属マトリックスの第２領域に組み込まれることを特徴とする請求項３６に記載の方法。 The carbon nanotube leached fiber material includes a first carbon nanotube leached fiber material configured to include a first length of carbon nanotubes, and a second carbon configured to include a second length of carbon nanotubes. A first carbon nanotube leached fiber material is incorporated into a first region of the metal matrix, and a second carbon nanotube leached fiber material is a second region of the metal matrix. 37. The method of claim 36, wherein the method is incorporated into

少なくとも１つの金属を含んで構成される金属マトリックスと、
カーボンナノチューブ浸出繊維材料と、
を含んで構成される複合材料を含む製品。 A metal matrix comprising at least one metal;
Carbon nanotube leached fiber material,
A product containing a composite material composed of